Microscopica Elettronica a Scansione (SEM)

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1 Microscopica Elettronica a Scansione (SEM) risoluzione microscopia ottica (LM) 200 Å (0.02 µm) microscopia elettronica (EM) 2 Å ( µm) TEM 0.1 nm SEM 5 nm vantaggi SEM: immagini di campioni massivi grande profondità di campo analisi della composizione chimica immagini sempre a fuoco

2 immagini SEM ci hanno permesso di osservare nei più piccoli dettagli il mondo naturale artiglio della vedova nera (ragno) guscio di arachide pulce cervo pulce dei gatti

3 microscopi elettronici a confronto TEM SEM 1934 Ruska e Knoll 1938 prodotto dalla Siemens 1942 Zwarkin 1965 prodotto dalla Cambridge Scientific Instruments richiede grande perizia tecnica per acquisizione e interpretazione immagini necessaria preparazione specifica dei campioni semplice da usare immagini facilmente interpretabili permette analisi di campioni massivi microanalisi identificazione degli elementi costituenti

4 microscopi elettronici a confronto SEM dimensioni reali TEM

5 Microscopio a Scansione Elettronica (SEM) caratteristiche del SEM sistema di scansione del campione con il fascio elettronico* rivelatori specifici comunemente di tre tipi differenti formazione dell immagine su tubo a raggi catodici * dopo amplificazione * la scansione del campione è sincronizzata con la scansione sullo schermo del tubo

6 camera porta campione rivelatori

7 interazione elettroni-materia SCATTERING diffusione Elastico ΔE ~ 0 Anelastico ΔE < 0 centro diffusore E in,ϕ in θ E out,ϕ out θ > 90 (SEM) θ < 90 (TEM) elettroni che non attraversano il campione elettroni che attraversano il campione Microscopia Elettronica a Scansione e - primari e - retrodiffusi (BE) e - Auger e - secondari (SE) raggi X caratteristici (EDS) e continuo campione massivo volume di interazione

8 segnali comunemente analizzati al SEM BE = back scattered electrons SE = secondary elctrons interazione anelastica (ΔE < 0) elettroni di legame espulsi dal nucleo e - secondari (SE) SE elettroni di bassa energia (0-200eV) BE elettroni di alta energia (1-50 KeV) e - retrodiffusi (BE) raggi X caratteristici interazione elastica (ΔE ~ 0) attrazione elettrostatica e - /nuclei emissione di un fotone dovuta all espulsone di elettroni secondari

9 interazione elettroni-materia interazione anelastica (ΔE < 0) elettroni e fotoni emessi e - secondari (SE) e - primari deviati e - primari un e - del guscio esterno occupa la vacanza nel livello a minore energia possibili fenomeni di rilassamento energetico l energia rilassata viene acquistata da un elettrone del guscio esterno che è espulso dall atomo e - Auger ( ev) raggi X caratteristici l energia rilassata viene emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica (raggi X)

10 un e - espulso dal livello K un e - espulso dal livello L un e - dal livello L decade nel K emissione raggi X (livello L al K) due e - dal livello M decadono nel L emissione e - Auger più probabile per atomi leggeri (minori forze internucleari) emissione raggi X (livello M al L) elettroni di bassa energia rappresentano solo gli strati più superficiali dall energia degli e - Auger emessi si ricava la composizione chimica della superficie SAM = Scannig Auger Microscopy (immagini chimiche ad alta risoluzione delle superfici)

11 e - retrodiffusi ad alta energia e - secondari a bassa energia rivelatore BE caricato negativamente (basso voltaggio) respinge gli e - secondari ma non riesce a deviare gli e - retrodiffusi che sono catturati (C) rivelatore SE disposto lateralmente (D) rivelatore BE anulare al fascio primario rivelatore SE caricato positivamente (basso voltaggio) attrae gli e - secondari ma non riesce a catturare gli e - retrodiffusi

12 elettroni secondari e - a bassa energia (max 200 ev) rivelatore SE rivelatore disposto lateralmente gli elettroni retrodiffusi ad alti angoli riescono a raggiungere il rivelatore immagini da e - secondari (SEI) energia ottimale del raggio primario* il numero di e - secondari prodotti dipende dalle specie atomiche della superficie dall inclinazione della superficie il contrasto dipende dalla morfologia (rilievi) della superficie del campione (risoluzione 2-10 nm) * a basso voltaggio la risoluzione migliora SEI: dalle superfici di frattura agli insetti

13 elettroni retrodiffusi rivelatore BE e - ad alta energia comparabile agli e - incidenti (1-50 KeV) rivelatore disposto ad anulare intorno al fascio primario numero di elettroni retrodiffusi proporzionale al numero atomico Z (densità elettronica) immagini da e - retrodiffusi (BEI) intensità BE le fasi contenenti elementi a numero atomico maggiore sono più luminose danno informazioni sulla morfologia dei domini a diversa costituzione chimica distribuzione delle fasi sulla superficie del materiale numero atomico Z risoluzione diminuisce all aumentare della penetrazione del fascio incidente nel materiale

14 volume di interazione aumentando l energia degli eincidenti il fascio diminuisce di diametro (*) ma aumenta la penetrazione effetto pera BE subiscono scattering in uscita e diminuiscono di numero SE prodotti anche in zone fuori dal fascio primario (SE tipo II) (*) minimo diametro del fascio migliore risoluzione simulazioni di penetrazione in materiali per coating diminuisce la risoluzione e il contrasto delle immagini carbonio elettroni a bassa energia (Auger, SE) non riescono ad emergere dall interno del campione rame oro

15 risoluzione spaziale e volume di interazione il volume di penetrazione diminuisce al diminuire del diametro del fascio incidente il volume di penetrazione aumenta all aumentare dell energia del fascio incidente

16 contrasto delle immagini da elettroni secondari (SEI) gli e - secondari sono sensibili alla topografia delle superfici posizione del rivelatore SE SE prodotti in una cavità (A) vengono assorbiti dalle pareti della cavità SE prodotti da una zona emergente (B) dalla superficie arrivano al rivelatore differenti topografie della superficie tiltando il campione rispetto alla sorgente si ottengono ombreggiature che descrivono la topografia del campione posizione del rivelatore SE

17 SEI effetto del tilting del campione superfici di circuiti

18 preparazione dei campioni problemi nell analisi dei materiali polimerici: scarsa conducibilità dei campioni facilmente danneggiabili dagli elettroni ad alta energia problema conducibilità su superfici non conduttive si determinano accumuli di carica locali che interagiscono con il fascio incidente entrambi risolti con elettroni a bassa energia ricoperti da elementi conduttivi (Au, Au/Pd, Pt, C)* C forma film sottili (1-2 nm) ma produce pochi SE preferito per analisi in raggi X Au è facilmente evaporabile e da molti SE ma forma film continui solo se spessi (20 nm) problema danneggiamenti si minimizza il tempo di esposizione dei campioni al raggio primario si perdono i dettagli delle superfici il coating risolve in parte anche i problemi di danneggiamento * il coating con metalli migliora il segnale degli SE (alti Z)

19 danneggiamenti da elettroni ad alta energia immagine TEM struttura dendridica di una frattura dovuta a scariche elettriche in un cavo isolante di polietilene zone danneggiate da una precedente analisi SEM evidente la scansione del raggio elettronico

20 SEI con elettroni a bassa energia immagini SEM della mosca del vino insetto non ricoperto immagine fortemente contrastata ottenuta con elettroni a bassa energia

21 .. anche la colla è importante a) alto voltaggio, zero tilting b) basso voltaggio, tilting a 45 in (b) si nota il buon incollaggio particelle di toner per stampanti laser

22 il fuoco nella microscopia elettronica a scansione la risoluzione e la profondità di fuoco/campo dipendono dalla dimensione del fascio incidente grande profondità di fuoco fasci stretti aumentano risoluzione e profondità di fuoco/campo

23 agendo sull apertura dell obiettivo e sulla distanza obiettivo-campione è possibile massimizzare la profondità di campo/fuoco apertura dell obiettivo minore distanza dall obiettivo maggiore SEI di spire della resistenza di una lampadina a bulbo

24 SEI profondità di campo/fuoco delle immagini SEM fibre di poliossimetilene (tessuto non-tessuto) è possibile vedere le fibre interne del campione di tessuto

25 immagini SEM da elettroni secondari superficie di frattura di un campione di polistirene atattico le fratture in polimeri vetrosi sono solitamente precedute da formazione di craze tilted 0 craze in campioni stirati la presenza di craze è meglio evidenziata nell immagine tiltata tilted 45

26 immagini SEM da elettroni secondari superficie di frattura di un campione di polipropilene caricato con fibre di vetro nei compositi termoplastici con fibre di vetro ottenuti per injection moulding l orientazione delle fibre influenza fortemente le proprietà del manufatto l analisi della SEI permette una valutazione qualitativa dell orientazione delle fibre le zone vuote dimostrano scarsa adesione delle fibre al polimero

27 immagini SEM da elettroni secondari campione di polistirene espanso materiali espansi presentano strutture cellulari interne guscio di arachide una struttura analoga si ritrova nel guscio dell arachide strutture cellulari permettono grande leggerezza insieme ad una elevata resistenza all impatto

28 immagini SEM da elettroni retrodiffusi (BEI) ammontare di BE dipende da: numero atomico (Z), topologia della superficie, cristallinità A B informazioni topologiche e di composizione possono essere opportunamente separate A+B = informazioni sulla composizione A-B = informazioni sulla topologia BE danno risoluzione minore di SE regione che genera BE è maggiore (effetto pera)

29 immagini SEM da elettroni retrodiffusi (BEI) immagini XEDS A-B informazioni topologiche A+B informazioni sulla composizione chimica

30 immagini SEM da elettroni retrodiffusi (BEI) lega di alluminio immagine XEDS A+B informazioni sulla composizione chimica

31 immagini SEM da elettroni retrodiffusi (BEI) pellicola pittorica a cinabro stesa al di sopra di pellicola pittorica a ocra rossa (ematite) il cinabro, più brillante e costoso, è stato dato sopra un fondo di ematite BEI il cinabro appare più chiaro perché contiene Hg (Z=80) che ha un elevato numero di elettroni

32 rivelatore raggi X XEDS X-ray Energy Dispersive Spectroscopy riconosce I raggi X caratteristici dì singoli elementi limite di rivelabilità 2000 ppm (0.2%) esempio di analisi puntuale

33 immagini SEM da elettroni secondari film di s-ps dopo etching cosa sono questi oggetti??

34 fine microscopia elettronica a scansione SEM