Bài thuyết trình Ứng dụng phát xạ nhiệt điện tử trong SEM

Oatley phát triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 A0.. Cấu tạo của SEMKính hiển vi điện tử gồm có các bộ phận sau:  Súng điện

HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy

GVHD: PGS.TS Lê Văn Hiếu

ỨNG DỤNG PHÁT XẠ

NHIỆT ĐIỆN TỬ

TRONG SEM

(1889-1982), Russia

1 GIỚI THIỆU VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT SEM

Kính hiển vi điện tử SEM đầu tiên

được phát triển bởi Zworykin vào

năm 1942

Đến năm 1948 C W Oatley phát

triển kính hiển vi điện tử quét trên

mô hình này với chùm điện tử hẹp

có độ phân giải đến 500 A0

Kính hiển vi điện tử quét thương

phẩm đầu tiên được sản xuất vào

năm 1965 bởi Cambridge Scientific

Instrument Mark I

LƯỢC SỬ VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ SEM

Charles Oatley (1904-1996)

2 Cấu tạo của SEM

Kính hiển vi điện tử gồm có các bộ phận sau:

 Súng điện tử

 Hệ thấu kính từ.

(Hệ thống các cuộn quét, được đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba)

 Bộ phận giữ mẫu

 Hệ thống thu nhận ảnh.

(Ống nhân quang điện, dùng để ghi nhận chùm điện tử thứ cấp)

2.1 Súng điện tử

Súng phóng điện tử tạo ra chùm điện tử với kích thước điểm nhỏ, năng lượng có thể điều chỉnh được và độ tán sắc nhỏ.

Súng điện tử thường gồm ba

phần: sợi đốt (tungsten) hình

chữ V, hình trụ Wehnelt (điều

chỉnh dòng phát xạ e-) và anode

 Cường độ chùm điện tử phát ra

sẽ tuân theo định luật Richardson:

J = A.T2.exp(-F/kT)

Units Tungsten LaB 6 FEG (cold) FEG

(thermal)

FEG (Schottky)

Work Function eV 4.5 2.4 4.5 -

-Operating

Temperature

Current

Density

A/m 2 5*10 4 10 6 10 10 -

-Crossover

Size

μ m 50 10 <0.005 <0.005 0.015-0.030

Brightness A/cm 2 sr 10 5 5 × 10 6 10 8 10 8 10 8

Energy Speed eV 3 1.5 0.3 1 0.3-1.0

Stability %/hr <1 <1 5 5 ~1

Vacuum PA 10 -2 10 -4 10 -8 10 -8 10 -8

Lifetime hr 100 500 >1000 >1000 >1000

Comparison of Electron Sources at 20kV

2.2 Hệ thấu kính từ

Hệ thấu kính từ có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa được phát ra khỏi súng phóng điện tử

và điều khiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia

Thấu kính tụ sáng (condenser lens):

Tập trung chùm điện tử vừa phát

ra khỏi súng phóng và điều khiển

kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia

Vật kính (Objective len):

Chùm điện tử tiếp tục phân kỳ sau khi đi qua thấu kính tụ sáng Vật kính thường được dùng để hội tụ chùm điện tử vào điểm dò trên bề mặt mẫu giúp hội tụ tốt hơn

Thấu kính từ thực chất là một nam châm điện, có cấu trúc là một cuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu từ mềm Vì cuộn dây mang dòng điện nên nó tỏa rất nhiều nhiệt và đòi hỏi một hệ làm lạnh (bằng nước hoặc Nitơ lỏng)

Hình 2.4: Cấu tạo của thấu kính từ

Hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện

tử trong từ trường dưới tác dụng của lực Lorentz Từ trường trong thấu kính được thay đổi bằng cách thay đổi cường độ dòng điện trong cuộn dây =>Tiêu cư của thấu kính được thay đổi bằng dòng dùng để điều khiển nam châm

Bán kính quỹ đạo của điện tử được xác định theo công thức:

1 2 0

2

e

E

E r

eB

 



Khe từ tạo ra từ trường có phân bố thích hợp để điều

khiển quỹ đạo của điện tử.Ta có thể điều khiển quỹ đạo của điện tử bằng cách điều khiển sự phân bố của từ

trường B trong khe từ

Hình 2.5: Sự truyền qua của điện tử qua thấu kính từ

2.3 HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ TẠO ẢNH

3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ SEM

Độ phân giải của kính hiển vi SEM

Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước của chấm điện tử đập vào mẫu

Thông thường, kích thước chấm điện tử lớn hơn kích thước nguyên tử , do đó SEM không phân tích được ở cấp độ nguyên tử Các kính SEM hiện đại có độ phân giải trong khoảng 1nm-10nm

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải của kính SEM: đường kính chùm điện

tử, thế gia tốc, dòng dò v.v

giảm đường kính chùm điện tử đến mẫu , dùng khẩu độ

Hiện tượng quang sai (Aberration)

Hiện tượng quang sai là hiện tượng sai lệch ảnh thu được qua dụng cụ quang học.

Cầu sai

Sắc sai

các chùm tia ở xa trục chính sẽ hội

tụ kém hơn so với các chùm tia đi gần trục chính và

do đó cũng tạo ra một đĩa tán rộng thay vì hội tụ tại một điểm.

Do sự kém đơn sắc trong bước sóng của chùm hạt mang điện

Cầu sai ( Spherical aberration)

DOLC

 The focal length of near axis electrons is longer than that of off axis electrons

 All lenses have spherical aberration -minimum spot size

 Cs is a lens constant equal to the working distance of the lens

 Spherical aberration makes the probe larger, degrades the beam profile, and limits the numerical aperture (a) of the probe lens

This reduces the current IB which varies as a2

a

Sắc sai (Chromatic aberration)

 The focal length of higher energy electrons is longer than that for lower energy electrons

 Chromatic aberration puts a

‘skirt’ around the beam and reduces image contrast

 The minimum spot size at DOLC

is

dmin= Cca.E/E0

which increase at low energies and when using sources such as thermionic emitters with a high energy spread E

a

Cách khắc phục quang sai

Chọn nguồn phát xạ nhiệt thích hợp

Giảm Giảm quang sai và tăng độ phân giải

3/ Giảm tiêu cự vật kính (bằng cách điều chỉnh dòng (thế)

4/ Đặt thêm khẩu độ

E



Mẫu được đặt vào trong Tk -> giảm f-> giảm cầu sai

4 ƯU ĐIỂM CỦA SEM

cũng như bề mặt của mẫu vật

 Giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM.