Metode de caracterizare structurala in stiinta nanomaterialelor

Transcrição

1 Metode de caracterizare structurala in stiinta nanomaterialelor Microscopia electronica prin transmisie fundamente si aplicatii. Partea II

2 Introducere Microscopia electronica prin transmisie (TEM) este un instrument foarte puternic, destinat examinarii materialelor la inalta rezolutie. Intr-un microscop TEM, electronii sunt indreptati, trecand printr-o serie de lentile electromagnetice, spre o proba subtire (sub 200 nm grosime). Electronii transmisi trec apoi prin lentile aditionale pentru a fi proiectati pe un ecran de vizualizare sau inregistrati cu o camera digitala. TEM poate furniza detalii microstructurale pana la nivel atomic si poate fi utilizat pentru examinarea structurilor cristaline si defectelor cristaline. Informatiile obtinute prin examinarea TEM sunt utilizate la determinarea interdependentei dintre structura si proprietati pentru un domeniu cuprinzator de materiale, domeniu ce include metale, aliaje, semiconductori, ceramici,suporturi nanoporoase si polimeri.

3 Interactia electronilor cu proba in TEM

4 Probe pentru TEM Mici, de maximum 3 mm in diametru Subtiri, de la 5-10 nm pana la nm, in functie de natura lor si de tehnica de investigare. Materiale masive: discuri subtiri, subtiate pana la perforare, transparente pentru electroni, la marginea gaurii. Pulberi: mojarate, dispersate intr-o suspensie, culese pe grile (de Cu, de Mo sau Be), acoperite cu un film subtire de carbon

5 Tipuri de informatii TEM poate furniza cateva tipuri de informatii despre proba: Imagini (contrast de masa-grosime si contrast de faza); Structura (contrast de faza, difractie de electroni); Chimie(EDX, EELS). Imagini Rezolutia TEM este mult mai buna decat rezolutia SEM, cele mai bune TEM pot rezolva atomii; Multe tipuri de structuri sunt vizibile numai cu TEM; Pot fi obtinute din contrast informatii structurale (despre defecte, de ex.)

6

7 Tunul de electroni: obtinerea unui fascicol de electroni intens, monoenergetic; Condensor: iluminarea uniforma a probei, pastreaza fascicolul in centru la schimbarea maririi; Obiectiv: formeaza imaginea probei, determina rezolutia; daca este bine aliniat imaginea este nedistorsionata, contururile caracterelor din imagine sunt nete; Proiector: mareste imaginea si formeaza imaginile de difractie; nu trebuie sa afecteze rezolutia; daca nu este bine aliniat imaginea va fi distorsionata iar imaginea de difractie de electroni neclara.

8 Formarea imaginilor Mecanisme de contrast in TEM Contrast de masa si de grosime; Contrast de difractie imagini TEM in camp luminos si imagini TEM in camp intunecat; Contrast de faza HRTEM; Contrast de numar atomic Z HRSTEM.

9 Contrast de grosime Diagrama TEM-BF SiO2 amorf EELS map

10 Contrast de difractie in TEM Supraconductor TiAl lamelar

11 Imagini de contrast de faza (HRTEM) Microscopia electronica prin transmisie de inalta rezolutie (HRTEM) este una dintre cele mai importante metode utilizate pentru caracterizarea nanomaterialelor. Mecanismul cel mai important pentru formarea contrastului pentru HRTEM este contrastul de faza. Daca proba este suficient de subtire pentru HRTEM (adica mai putin de 50 nm), interactia dintre fascicolul de electroni si potentialul electrostatic al nucleelor de atomi din proba produce modificari de faza ale unei parti din undele asociate apartinand aceluiasi front de unda. Formarea imaginii cu contrast de faza necesita selectarea a inca cel putin unui fascicol (fascicol direct plus minim un fascicol difractat). Astfel de fascicole interfera pentru a da o imagine cu o periodicitate ce este functie de distanta interplanara corespunzatoare. Daca fascicolul este aliniat paralel cu un ax de zona de indici (hkl) mici, se observa franje paralele in diferite directii. Aceste franje corespund spoturilor din difractia de electroni ce au fost selectate pentru formarea imaginii.

12 Franjele sunt atat de asemanatoare planelor atomice incat putem gresi usor crezand ca acestea sunt chiar plane atomice. Franjele retelei nu sunt imagini directe ale structurii dar chiar dau informatii asupra distantelor interplanare si orientarilor cristaline. Interpretarea imaginii HRTEM nu este usoara, datorita faptului ca, in plus fata de interactia fascicolului de electroni cu proba, trebuie luat in consideratie efectul imperfectiilor lentilelor electronice asupra procesului de formare a imaginii. Modul in care microscopul transfera undele cu diferite modificari relative ale fazei acestora este definit prin asa-numita functie de transfer contrast (CTF). CTF defineste rezolutia microscopului si depinde de calitatea lentilelor obiectiv (aberatia sferica), de tensiunea de accelerare (lungimea de unda asociata) si de conditiile de focalizare. Totodata, aberatiile cromatice, imprastierea energetica si focala a fascicolului, intensitatile tensiunii de accelerare si ale curentului prin lentilele obiectiv influenteaza, de asemenea, formarea contrastului.

13 Contrast de faza - HRTEM

14 Identificarea de faze din prelucrarea imaginilor de inalta rezolutie Nanoparticule Fe-Cr Din compararea distantelor interplanare (si unghiurilor) masurate cu structurile cunoscute rezulta tipul retelei cristaline si identificarea fazei.

15 Contrast de numar atomic Z-HRSTEM HRTEM HRSTEM HRSTEM

16 TEM in stiinta materialelor Nanoparticule de aur

17 TEM in stiinta materialelor Nanoparticule de Fe 2 O 3 obtinute prin metoda hidrotermala a a b b c c a b c

18 TEM in stiinta materialelor Nanoparticule de magnetita (Fe3O4)

19 TEM in stiinta materialelor Nanoparticule de magnetita (Fe3O4) cu invelis de cupru:hrtem, EDS, EELS

20 TEM in stiinta Materialelor Pulbere de hidroxiapatita

21 TEM in stiinta materialelor Compozit polimer - montmorinollite

22 TEM in stiinta materialelor Nanostructuri de carbon

23 TEM in stiinta materialelor Nanocompozite polimer-nanotuburi de carbon

24 TEM in stiinta materialelor HOPG

25 TEM in stiinta materialelor Nanoparticule de fier cu invelis de carbon

26 TEM in stiinta materialelor Microfire nanostructurate ZnO

27 TEM in stiinta materialelor Defecte structurale in aliaje metalice Aliaj baza cobalt Otel inoxidabil