Técnicas de Caracterização de Materiais

Transcrição

1 Técnicas de Caracterização de Materiais º Semestre de 2016 Instituto de Física Universidade de São Paulo Professores: Antonio Domingues dos Santos Manfredo H. Tabacniks 09 de agosto

2 Transdutores Transdutores (+ condicionador de sinal) Tipo Condições físicas e ambientais de trabalho Compatibilidade com outros equipamentos.

3 Sinais, medidas, ruídos,... Sistema genérico de aquisição de dados experimentais Grandeza física a medir Transdutor Condicionador de sinal Scanner ou multiplexador Conversor de sinal - Transdutor: traduz a grandeza a ser medida em um sinal (em geral, elétrico). - Condicionador de sinal: fornece as condições para o transdutor funcionar. - Scanner ou multiplexador: seleciona instrumento a ser medido. - Conversor de sinal: condiciona o sinal para o ADC. - Gravador de dados: armazena as informações. - Sistema de contrôle: Gerencia todas as atividades. Sistema de Controle Conversor analógicodigitall Gravador de dados Digital ou Analógico?

4 Sinais, medidas, ruídos,... Sistema genérico de aquisição de dados experimentais Grandeza física a medir Transdutor Condicionador de sinal Scanner ou multiplexador Conversor de sinal --- Precisão: medida da reprodutibilidade dos valores medidos. --- Sensibilidade: razão entre o sinal de saída e a mudança da variável medida. --- Resolução: menor variação no valor medido que a instrumentação deteta. Acurácia: proximidade com que a instrumentação se aproxima do valor verdadeiro. Erro: diferença entre o valor verdadeiro e o valor medido. Sistema de Controle Conversor analógicodigitall Gravador de dados

5 Resolução ótica O critério de Rayleigh estabelece para um microscópio ótico tradicional a resolução: 0,61 x nsin onde, λ é o comprimento de onda da radiação, n é o índice de refração do meio e θ é a semi-largura angular definida pela abertura da lente objetiva.

6 Resolução ótica O critério de Rayleigh estabelece para um microscópio ótico tradicional a resolução: 0,61 x nsin Considerando se que o módulo do vetor de onda é k n2 / dado por: Sendo a variação da componente x do momento dada por: p 2 ( n2 / )sin Assim, o critério de Rayleigh se assemelha ao Princípio da Incerteza: Por outro lado, para uma onda homogênea, todas as suas componentes de k serão inferiores ou iguais a n2π/λ. x x p Consequentemente, a resolução espacial em cada componente fica limitada ao critério de Rayleigh. x h

7 Princípio da incerteza de Heisenberg Como o critério de Rayleigh e o Princípio da incerteza de Heisenberg são formalmente semelhantes, esperamos o mesmo comportamento para a resolução de imagens construídas com elétrons.

8 Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Comprimento de onda para radiação eletromagnética Desde m (raios ) até ~km (rádiofrequência) hc / E Comprimento de onda para partículas Não relativístico h/ p Relativístico: h / 2 m K(1 K / 2 E ) 0 0 STM E (ev) λ (nm) 1x10 6 0, x10 4 0,0122 1x10 2 0, ,22

9 Microscopias

10 Sinais, medidas, ruídos,... Extração do sinal, frente ao ruído: Ruído branco (aleatório) e filtro passa-baixas: v n Ruído branco: 1/ 2 T r

11 Sinais, medidas, ruídos,... Outras perturbações: Deriva (drift) e Deslocamento (offset) Fontes de deslocamento: transdutor e amplificador (ponte desbalanceada e correntes de fuga no amplificador) que podem ser corrigidas. Fonte principal de deriva: lentas mudanças na temperatura Deriva é proporcional ao tempo de medida (T m ) Ruído 1/f Ruído branco tem um espectro que independe da frequência. Ruído 1/f é inversamente proporcional à frequência ( 1/f) Para Deriva (drift) Média de Múltiplas Medidas (fazer cada experimento rapidamente e repetir várias vezes. Deteção Síncrona (phasesensitive detection) (técnica AC a ser estudada mais tarde) v n 1/ 2 T r Independe de T r

12 Sinais, medidas, ruídos,... Ruído branco Ruído térmico, devido às correntes elétricas nas resistências. Ruído impulsivo (shot noise), devido ao caráter discreto dos portadores de carga t 1 r t T v0 T vin( t ) dt r v n 1/ 2 T r

13 Sinais, medidas, ruídos,... Ruído 1/f + ruído branco + deriva Deriva aumenta com o tempo de medida (T sc ). Ruído 1/f independe do tempo de medida (T sc ). v n 1/ 2 T sc Deriva e ruído branco podem ser minimizados por Média de Múltiplas Medidas. Ruído 1/f também pode ser minimizado por Média de Múltiplas Medidas.

14 Sinais, medidas, ruídos,... Ruídos externos Eletromagnéticos, Mecânicos, Térmicos, Etc. Podem ser evitados!

15 Microscopy Homepage > Surface Analysis > Surface Science Capabilities Microstructural and Nanoscale Surface Analysis Intertek Surface Analysis laboratories offer a wide range of analytical techniques, expertise and instrumentation. Surface analysis expertise is located on a global basis, and samples are easy to transport to the best Intertek laboratory for your project. Contact Intertek for more information. Intertek Surface science capabiltiies include:: Optical Light Microscopy: Optical light microscopes employ the visible or near-visible portion of the electromagnetic spectrum. Applications include use in the life sciences, metallurgy and electronic industries. SEM Scanning Electron Microscopy: The Scanning Electron Microscope (SEM) analyses the surface of solid objects, producing images of higher resolution than optical microscopy. SEM produces representations of three-dimensional samples from a diverse range of materials. Techniques include cathode-luminescence and backscattering for surface, contrast and elemental analysis. SEM Energy Dispersive X-ray Analysis: SEM/EXDA analysis of small particles by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDXA) is possible without destruction or injury to the sample. SEM/EXDA provides qualitative elemental analysis and element localisation on samples being analysed. SSIMS Static Secondary Ion Mass Spectrometry: SSIMS allows molecular identification and thin film characterization of organic and inorganic materials on surfaces. TEM Transmission Electron Microscopy: TEM is used for ultra structural characterisation of a wide range of samples. Applications include morphology, crystallographic and compositional information, including Biological TEM applications.

16 Microscopy Homepage > Surface Analysis > Surface Science Capabilities Surface Analysis Laboratory Techniques Microstructural and Nanoscale Surface Analysis AES Auger Electron Spectroscopy: AES is a able to determine composition of the top few layers of a surface. AES is sensitive to low atomic number elements and all elements save hydrogen and helium. XRD X-Ray Diffraction: XRD is used for characterizing materials. The technique is used to studying powdery particles, particles in liquid suspensions or polycrystalline solids, including bulk or thin film materials. AFM Atomic Force Microscopy: AFM studies of surface topology and physical properties on a nanometre scale. Surface imaging is to near atomic resolution, measuring atomic level forces at the sample surface. Van der Waals, electrostatic, capillary, magnetic and ionic forces produce topographical images of the sample. X-Ray Photoelectron Spectroscopy: XPS determines surface elemental and functional group composition. XPS provides chemical state information from the first few atomic layers at the sample surface. XPS allows chemical composition analysis of the surface layer from 5 to 10 nanometers. SPM Scanning Probe Microscopy: SPM measures weak electrical current flowing between the probe tip and sample as they are separated at a distance. Vertical Scanning, Phase Shifting Interferometry: Vertical scanning interferometry (VSI) is a non-invasive technique used to quantify surface topography of solids such as metals, ceramics, minerals, glasses with high precision.

17 Energia / Momento Matéria Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Propriedade a ser caracterizada Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Energia / Momento Matéria

18 Áreas da espectroscopia

19 Diagrama de energias de átomos isolados

20 Diagrama de energias de sistemas moleculares Modos extensionais e torcionais

21 Absorção de radiação eletromagnética por um átomo Caracterização dos Materiais Espalhamento Raman e Rayleigh

22 radiação luminosa Técnicas espectroscópicas

23 radiação luminosa Técnica de bombeamento e prova (Pump-probe) Resolução temporal de pico (10-12s ) ou femtosegundos (10-15 s)

24 radiação luminosa Espectrometria por transformada de Fourier

25 Raios X Cobre Lei de Moseley 1 CZ ( )

26 Intensity (a.u.) Caracterização dos Materiais Raios X Fe 0.44 Pt 0.56 /Pt/SiO 2 Pt(111) 2 = o FePt(111) 2 = o (degree) fluorescência difração Cromo-niquel sobre prata-cobre

27 Raios X Espectros de absorção de raios X EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) XANES (X-ray Absorption Near-Edge Structure) Necessita um Síncrotron

28 Síncrotron Caracterização dos Materiais Raios X

29 Raios X Fotoelétrons emitidos por raios X

30 Raios X Fotoelétrons emitidos por raios X Processo Auger

31 Íons PIXE (particle-induced X-ray Emission)

32 Íons RBS (Rutherford Back-Scattering Analysis) 20 Energy (MeV) Normalized Yield Em geral, usa-se feixe de partículas alfa ou protons -Colisões elásticas determinam a massa atômica que provocou o espalhamento dos íons Channel

33 Íons SIMS (Secondary Ions Mass Spectrometry Analysis) Fonte de íons Esquema geral do SIMS Permite a análise composicional em profundidade, com resolução lateral de ~10 microns e sensibilidade composicional de partes por milhão (~0,1 ppm)

34 Íons Em geral, íons são muito utilizados para produzir alterações estruturais ou morfológicas nos materiais (por exemplo: dopagem de semicondutores, endurecimento de metais, Feixe de Íons Focalizados (FIB),... )

35 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Consequências da absorção dos elétrons (depende fortemente do material) - Deslocamentos atômicos - Quebra de ligações químicas - Excitação de oscilações coletivas de cargas (plasmons) - Excitação de vibrações da rede (fonons) - Excitação de níveis eletrônicos de superfície - Excitações de níveis atômicos profundos (ionização) - Produção de radiação de Brehmsstrahlung

36 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão

37 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Espessura necessária para absorver 99% da radiação incidente

38 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Simulação Monte Carlo da interação do feixe de elétrons com os materiais

39 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Imagem de alta resolução com elétrons retroespalhados e secundários para nanopartículas de Pt em um suporte de grafite.

40 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Microscopia eletrônica de transmissão Corte de um nanofio de CoSi 2 crescido por epitaxia reativa sobre uma superfície de Si(100) à 750 C.

41 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Microscopia eletrônica de transmissão Nanoclusters de Ag sobre um nanocristal de Si(100)

42 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão Comprimento de onda para radiação eletromagnética Desde m (raios ) até ~km (rádiofrequência) hc / E Comprimento de onda para partículas Não relativístico h/ p Relativístico: h / 2 m K(1 K / 2 E ) 0 0 Para elétrons E 0 = 511 kev

43 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão

44 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

45 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

46 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

47 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura

48 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura EBSD (Difração retro-espalhada de elétrons) EBSD de germânio

49 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Varredura EBSD (Difração retro-espalhada de elétrons) Amostra de Ni eletrodepositada Mapa de orientações

50 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão Tecnai F 20 field emission gun (FEG) ETEM operando a 200 KV (ETEM= TEM para operação em condição ambiente)

51 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão Formação da imagem em TEM

52 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão Atomic-resolution electron micrograph of Al [001] with misfit accommodation by edge dislocations (arrowed). Each spot corresponds to projection of individual Al atomic column [82].

53 Feixe de elétrons Microscopia Eletrônica de Transmissão

54 Energia / Momento Matéria Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Propriedade a ser caracterizada Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Energia / Momento Matéria + Microscopias de Sonda Local (SPM) Nature Nanotechnology, 1 (2006) 3

55 Energia / Momento Matéria Propriedade a ser caracterizada Interação matériamatéria, (ou radiaçãomatéria) Detectamse forças ou corrente elétrica (ou intensidade luminosa) Energia / Momento Matéria + Microscopias de Sonda Local (SPM) Nature Nanotechnology, 1 (2006) 3

56 Interação Ponta-Amostra SPM

57 Interação Ponta-Amostra SPM Microscópio de tunelamento eletrônico (STM)

58 Microscópio de força atômica (AFM) - Força normal - Força lateral Caracterização dos Materiais Modo de Operação SPM

59 SPM Microscópio ótico AFM Comparação entre técnicas MEV STM Nature Nanotechnology, 6 (2011) 191

60 Instrumentações científicas tradicionais Energia / Momento Matéria Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Propriedade a ser caracterizada Fótons Íons Átomos Elétrons Neutrons Prótons Energia / Momento Matéria

61 Microscopias de sonda local Energia / Momento Matéria Interação matériamatéria (ou radiaçãomatéria) Propriedade a ser caracterizada Detectam-se forças ou corrente elétrica (ou intensidade luminosa) Energia / Momento Matéria Microscopias de Sonda Local (SPM) Nature Nanotechnology, 1 (2006) 3

62

63