Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 55

Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii PowerPoint PPT Presentation


  • 152 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii. Wykład 4. Metody rentgenowskie. Rentgenowska analiza strukturalna Promieniowanie rentgenowskie (zwane też promieniowaniem X) jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o zakresie długości fal z przedziału

Download Presentation

Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wykład 4


Metody rentgenowskie

Metody rentgenowskie

Rentgenowska analiza strukturalna

Promieniowanie rentgenowskie (zwane też promieniowaniem X) jest rodzajem

promieniowania elektromagnetycznego o zakresie długości fal z przedziału

mniej więcej: 10 pm - 10 nm, co odpowiada energii: 120 eV - 120keV. Jest to

wystarczająca energia, aby promienie X były nazwane przenikliwymi i umożliwiały

np. prześwietlanie ludzkich tkanek.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Promieniowanie X jest w sposób sztuczny wytwarzane w lampach rentgenowskich.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Energia kwantu tego promieniowania wynosi:

gdzie: v - jest częstotliwością promieniowania,

h - stała Plancka: h = 6, 63 · 10−34Js.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Promieniowanie rentgenowskie powstaje w lampie rentgenowskiej podczas hamowania szybkich elektronów padających na anodę. Tak powstałe promieniowanie tworzy widmo ciągłe, któremu towarzyszy monochromatyczne spójne promieniowanie charakterystyczne.

Widmo ciągłe powstaje w wyniku emisji promieniowania hamowania, natomiast promieniowanie charakterystyczne powstaje w wyniku wzbudzenia elektronów materiału anody powodujące emisję promieniowania nieciągłego o okreœślonejdługośœci fali.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Podczas przechodzenia przez kryształ promieniowanie ulega m. in. absorpcji i rozpraszaniu.

Zjawisko rozpraszania polega na wywoływaniu przez fale elektromagnetyczne drgań zewnętrznych elektronów atomów substancji rozpraszającej.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego

Rozpraszanie koherentne:

gdy elektrony zachowują się jak oscylatory - (drgając i emitując fotony promieniowania pod wpływem padających promieni X), wysyłają falę o tej samej długości i częstości, jak promieniowanie padające, tylko przesuniętą w fazie, - mówimy o rozpraszaniu spójnym (sprężystym, koherentnym), które, rozchodząc się we wszystkich kierunkach, może ze sobą interferować.

Wykorzystanie: dyfraktometria rentgenowska


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego

Rozpraszanie niekoherentne (comptonowskie):

jeśli emitowane są fotony o mniejszej energii niż w wiązce padającej, to efektem będzie otrzymanie promieniowania o większej długości fali, zjawisko to nazywamy rozpraszaniem niespójnym, takie promieniowanie nie może interferować, konsekwencją tego typu rozpraszania jest powstanie ciągłego tła promieniowania.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

W rozproszeniu koherentnym Drgające elektrony stają się źŸródłem wtórnych fal elektromagnetycznych, o tej samej długoœści fali co fala padająca, rozchodzących się we wszystkich kierunkach przestrzeni. Promienie w ten sposób rozproszone przez elektrony atomów ciał krystalicznych mogą ze sobą interferować. Interferencja promieni rozproszonych podlega prawidłowoœściom związanym z wewnętrzną budową kryształów.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Teoria Braggów - Wulfa

W podejściu Bragga traktuje sie zjawisko ugięcia fali promieniowania rentgenowskiego od płaszczyzny krystalograficznej jak efekt odbicia fali świetlnej od ścian kryształu.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Zasada działania dyfraktometru

 - kąt odbłysku (kąt padania), zawarty między wiązką pierwotną (lub ugiętą) a płaszczyznami, na których nastąpiło ugięcie

2 - kąt ugięcia, zawarty pomiędzy kierunkiem wiązki pierwotnej a wiązką ugiętą


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Dyfraktogramy


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • Promieniowanie rentgenowskie trudno zogniskować, co w konsekwencji daje informację o strukturze z dużego obszaru, rzędu 10mm2.

  • Nie ma więc możliwości analizowania elementów o rozmiarach nanometrycznych.

  • Dyfraktogramy rentgenowskie dostarczają niezwykle cennych informacji:

  • o strukturze nanomateriałów,

  • o wielkości nanokrystalitów, makronaprężeń oraz mikro- i makroodkształceń,

  • Dyfraktogramy służą również do badania periodyczności i grubości warstw w strukturach wielowarstwowych, rozkładu wielkości nanocząstek oraz tekstury .


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Pomiar wielkości krystalitów

Krystalitem nazywa się obszar koherentnego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Wielkości krystalitów nie można zawsze utożsamiać z wielkością ziarna, gdyż ziarno może się składać z kilku krystalitów.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Podstawą fizyczną pomiaru wielkości krystalitów jest wpływ ich rozmiarów na charakter i intensywność pików dyfrakcyjnych.

Należy jednak pamiętać, że na poszerzenie wpływają również zniekształcenia sieciowe i czynniki aparaturowe i należy je odjąć od całkowitej eksperymentalnej szerokości piku.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wielkość krystalitów można określić metodą Scherrera:

  • Gdzie: d - średnica cząstki krystalicznej

B - poszerzenie linii dyfrakcyjnej mierzone w połowie jej maksymalnego natężenia (w radianach)λ - długość fali promieniowania rentgenowskiego2θB - kąt wiązki promieniowania odpowiadający maksimum braggowskiemu


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Rozpraszanie małokątowe SAXS

Małokątowe rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego SAXS opiera się na rejestracji natężenia promieniowania rozproszonego pod małymi kątami (od kilku minut do kilku stopni). Efekt małokątowego rozpraszania pojawia się, gdy w materiale są cząstki o rozmiarach rzędu kilku nm.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Obraz rozproszeniowy rejestrowany jest na dwuwymiarowym detektorze. Jeśli cząstki w materiale są kuliste, to natężenie promieniowania rozproszonego zależy tylko od kąta rozpraszania, a nie zależy od kierunku. Otrzymany obraz jest kołowo symetryczny.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Jeśli cząstki rozpraszające są niekuliste i wykazują pewną uprzywilejowaną orientację względem wiązki padającej, to na obrazie pojawiają się plamki, linie oraz smugi. Liczba i orientacja smug zależy od liczby i wzajemnej orientacji cząstek.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Średnicę cząstki kulistej oblicza się z prostoliniowego odcinka zależności lnI od q2, stosując przybliżenie Guinera:

Gdzie A jest pewną stałą.

q = 4p × sinq/ l wektor rozproszenia


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Przebieg funkcji lnI=f(q2) zależy od kształtu, rozkładu oraz wielkości cząstek, a wpływ tych czynników jest podobny.

Nie ma więc możliwości rozdzielenia wpływu kształtu i rozkładu cząstek na przebieg krzywej rozpraszania jedynie na podstawie danych rozpraszania małokątowego. Potrzebne są dodatkowe informacje, z innych technik.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Metody spektroskopowe

Połączenie metod pozwalających na analizę składu chemicznego powierzchni ciał stałych z technikami sukcesywnego rozpylania jonowego (trawienia) pozwala uzyskać informacje o profilu składu chemicznego na przekroju cienkich warstw i powłok


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wyróżnia się dwie główne grupy metod wykorzystujących technikę sukcesywnego rozpylania jonowego: metody analizujące produkty rozpylania jonowego (np. spektrometrię mas jonów wtórnych SIMS) oraz metody analizujące powierzchnię przed i po trawieniu jonowym (np. spektroskopię elektronów Augera AES, spektroskopię fotoelektronów XPS)


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Spektrometria mas jonów wtórnych SIMS

Spektrometria mas – uniwersalna technika analityczna której podstawą jest pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • Spektrometria mas służy do:

  • identyfikacji związków chemicznych i ich mieszanin,

  • ustalania struktury związków chemicznych,

  • ustalania ich składu pierwiastkowego,

  • ustalania składu izotopowego analizowanych substancji

  • precyzyjnego ustalania składu złożonych mieszanin związków o wysokich masach molowych


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

W spektrometrach mas występują następujące elementy:

  • źródło jonów (jonizator) – urządzenie, w którym następuje jonizacja cząsteczek przy użyciu różnorodnych technik, z których część prowadzi do pękania wiązań chemicznych na skutek czego dochodzi do ich podziału na mniejsze fragmenty. Inne techniki powodują tylko naładowanie cząsteczek bez ich fragmentacji


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • analizator – w którym wcześniej powstałe jony ulegają rozdziałowi na podstawie stosunku ich masy do ładunku.

  • detektor – urządzenie "zliczające" jony napływające z analizatora.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wyniki działania spektrometru mas są przedstawiane w postaci tzw. widma masowego.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Spektrometria mas jonów wtórnych SIMS charakteryzuje się bardzo dużą czułością analizy produktów trawienia jonowego. Umożliwia wykrycie jonów złożonych z grup atomów oraz rejestrację izotopów pierwiastków.

Ilościową analizę profilu stężenia pierwiastków ogranicza wydajność procesu rozpylania jonowego podłoża.

SIMS jest techniką "destrukcyjną" ze względu na rozpylanie próbki


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Spektroskopia elektronów Augera AES

Spektroskopia elektronów Augera AES - jedna z odmian spektroskopii elektronowej, polegająca na analizie rozkładu energetycznego elektronów Augera. Cała metoda bazuje na efekcie Augera, czyli bezpromienistym przejściu elektronu na niższą powłokę (energia wzbudzenia oddawana jest trzeciemu elektronowi, który opuszcza atom).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Możliwości AES

  • pozwala na uzyskanie informacji o pierwiastkach obecnych na powierzchni (można analizować wszystkie pierwiastki z wyjątkiem H i He).

  • wyznaczanie rodzaju wiązań chemicznych, w których biorą udział pierwiastki obecne na powierzchni.

  • intensywność linii spektralnych pozwala wyliczyć stężenie pierwiastków (metoda wzorcowa).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • dzięki wykorzystaniu wiązki elektronów, którą można łatwo skupić, istnieje możliwość pomiaru punktowego.

  • skanowanie wiązki elektronów na powierzchni pozwala otrzymywać mapy rozkładu powierzchniowego pierwiastków i związków chemicznych.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • Widmo metody AES składa się z dwóch podstawowych tworów:

  • linii spektralnych - są to linie utworzone przez zebrane elektrony Augera, które opuściły powierzchnię badanej próbki bez strat energii.

  • linii tła - są to linie utworzone przez zebrane elektrony Augera, które doznały utraty części energii kinetycznej na skutek różnych zjawisk (najczęściej zderzeń niesprężystych).

Proces Augera jest charakteryzowany przez zespół trzech liter ze wskaźnikami


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Informacje dostarczane dzięki emisji elektronów Augera dostarczają informacji na temat jakościowego składu chemicznego warstwy powierzchniowej o grubości równej kilku stałym sieci.

Technika AES połączona z rozpylaniem jonowym pozwala określić skład chemiczny materiału w funkcji głębokości z dużą rozdzielczością w głąb (poniżej 1nm).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Profile głębokościowe są osiągane przez bombardowanie próbki jonami gazu obojętnego (np. Ar+) w celu sukcesywnego usuwania powierzchni materiału.

Wadą metody jest jej niszczący charakter.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Spektroskopia fotoelektronów XPS

Rentgenowska spektrometria fotoelektronów XPS – odmiana spektroskopii elektronowej, polegająca na analizie rozkładu energii kinetycznej fotoelektronów emitowanych w wyniku wzbudzenia próbki charakterystycznym promieniowaniem rentgenowskim.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Schematyczny rysunek przedstawiający wzbudzanie próbki promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

  • Widmo metody XPS składa się z dwóch podstawowych tworów:

  • linii spektralnych - są to linie utworzone przez zebrane fotoelektrony i elektrony Auger'a, które opuściły powierzchnię badanej próbki bez strat energii kinetycznej. Położenie uzyskanych sygnałów na skali energii pozwala określić skład chemiczny próbki.

  • linii tła - są to linie utworzone przez zebrane elektrony, które doznały utraty części energii kinetycznej na skutek różnych zjawisk (najczęściej zderzeń niesprężystych).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Możliwości XPS

  • umożliwia detekcję i analizę ilościową wszystkich pierwiastków z dużą czułością

  • wyznaczanie rodzaju wiązań chemicznych, w których biorą udział pierwiastki obecne na powierzchni

  • pozwala identyfikować stany chemiczne pierwiastków

  • istnieje możliwość wykorzystania trawienia jonowego i pomiaru kątowego zwiększającego możliwości pomiarowe


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wady XPS

  • występowanie efektów termicznych (powierzchnie o słabej przewodności termicznej) np. lokalnych stopień powierzchni, desorpcji termicznej, dekompozycji warstw, segregacji.

  • powierzchnia poddawana analizie jest duża z powodu trudności jakie sprawia skupianie wiązki promieniowania rentgenowskiego (w rzeczywistości otrzymujemy uśredniony wynik z dużej powierzchni).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Spektroskopia elektronów Augera AES i spektroskopia fotoelektronów XPS są łączone w jednym urządzeniu ponieważ wykorzystują to samo oprzyrządowanie do spektroskopii elektronowej


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Opis ilościowy struktury

Klasyczne badania mikroskopowe polegające na obserwacji mikrostruktury specjalnie przygotowanych próbek pozwalają jedynie na jakościowy opis struktury materiałów.

Opis taki służy jedynie do identyfikacji rodzaju materiału lub historii kolejnych obróbek, którym materiał był poddawany.

Opis ten jest niewystarczający do określenia zależności między strukturą a oczekiwanymi właściwościami.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza ilościowa struktury nanomateriałów koncentruje się na mikrostrukturze rozumianej jako specyficzny układ różnych obiektów (ziaren, cząstek) tworzących materiał.

Ilościowy opis struktury materiałów wymaga wyznaczenia charakterystycznych cech obiektów, m.in.:

  • liczby obserwowanych obiektów,

  • wielkości (rozmiaru) tych obiektów,

  • udziału objętościowego obiektów,

  • kształtu obiektów,

  • sposobu rozmieszczenia obiektów.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza liczby obiektów

Odniesienie liczby obiektów do powierzchni, na której zliczono cząstki, pozwala wyznaczyć parametr charakteryzujący strukturę, NA (względna liczba cząstek przypadająca na jednostkę powierzchni):

N - liczba obiektów (np. cząstek),

A - Powierzchnia analizy


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza wielkości (rozmiaru) obiektów

Na podstawie pomiaru długości cięciw wyznaczonych przez przecięcie się siecznych (poziome linie) przekrojami cząstek obliczona średnią długość cięciwy:

li

li - długosć i-tej cięciwy,

n - liczba cięciw


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Oprócz wartości średniej można wyznaczyć inne parametry rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza udziału objętościowego obiektów

Metoda może się opierać na ocenie liczby punktów, długości linii lub powierzchni pól zawierających się w analizowanym przekroju. Ich użyteczność w szacowaniu udziału objętościowego wynika z zasady Cavalieri - jeżeli materiał jest w całej swojej objętości jednorodny, to spełniony jest warunek:

Gdzie: Vs - objętość badanej fazy, V - objętość badanego materiału, As - powierzchnia przekrojów poprzecznych badanej fazy, A -powierzchnia analizowanego obrazu, Ls - długość cięciw przecinających badaną fazę , L - długość linii testowych, Ps - liczba punków zawierających się w przekrojach poprzecznych badanej fazy, P - liczba punktów znajdujących się na przekroju poprzecznym badanego materiału.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza kształtu obiektów

Należy wprowadzić parametry będące kombinacją informacji o geometrii obiektu. Jest tutaj wiele możliwości. Najczęściej wykorzystywanymi parametrami są współczynniki kształtu:

najdłuższa cięciwa

średnica równoważna

Parametr ten pozwala na ilościowe ujęcie wydłużenia cząstki.

długość linii obwodu otaczającej przekrój cząstki

Ujmuje ilościowo stopień rozwinięcia linii granicznej między cząstką a otaczającą ją osnową.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Analiza sposobu rozmieszczenia obiektów

  • Opracowanych zostało wiele metod ilościowej oceny sposobu rozmieszczenia cząstek. Do najpopularniejszych należą:

  • metoda skaningu systematycznego i analizy wariacyjnej,

  • metoda odległości do najbliższego sąsiada,

  • metoda oparta na tesselacji Dirichleta (Voronoia),

  • opis wzorca przestrzennego,

  • funkcja kowariancji,

  • funkcja rozkładu radialnego.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Funkcja rozkładu radialnego

jest zdefiniowana następująco:

jest to prawdopodobieństwo znalezienia atomu w odległości z przedziału (r, r + dr) od dowolnego atomu odniesienia (wybranego za początek układu współrzędnych).

Fizyczne znaczenie RDF(r) polega na opisie średniego otoczenia dowolnego atomu w rozważanej strukturze (np. krystalicznej).


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Metoda tesselacjiDirichleta (Voronoia)

Tesselacja jest to podział płaszczyzny na mniejsze obszary, w taki sposób, aby ich suma stanowiła całą płaszczyznę, a sąsiednie obszary miały wspólne krawędzie. Rozmiar i kształt obszarów zależą od charakterystycznych punktów znajdujących się w płaszczyźnie.


Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

Wyznaczone w wyniku tesselacji wieloboki Voronoia, otaczające charakterystyczne punkty na płaszczyźnie (np. cząstki, których położenia analizujemy),definiują "strefę wpływów" danego obiektu. Znajdujące się wewnątrz "strefy wpływów" punkty mają bliżej do danej cząstki, niż do jakiejkolwiek innej. Analiza wielkości tych stref pozwala wnioskować o sposobie wzajemnego rozmieszczenia obiektów (cząstek)


  • Login