Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii
Download
1 / 55

Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii - PowerPoint PPT Presentation


  • 207 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii' - nasim-parker


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

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.



Energia kwantu tego promieniowania wynosi: lampach rentgenowskich.

gdzie: v - jest częstotliwością promieniowania,

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


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.


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.


Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego m. in. absorpcji i rozpraszaniu.

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


Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego m. in. absorpcji i rozpraszaniu.

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.


W rozproszeniu koherentnym Drgające elektrony stają się m. in. absorpcji i rozpraszaniu. 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.


Teoria m. in. absorpcji i rozpraszaniu. Braggów - Wulfa

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


Zasada działania dyfraktometru m. in. absorpcji i rozpraszaniu.

 - 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


Dyfraktogramy m. in. absorpcji i rozpraszaniu.


  • 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 .


Pomiar wielkości krystalitów konsekwencji daje informację o strukturze z dużego obszaru, rzędu 10mm

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.


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.


Wielkość wpływ ich rozmiarów na charakter i intensywność pików dyfrakcyjnych. 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


Rozpraszanie wpływ ich rozmiarów na charakter i intensywność pików dyfrakcyjnych. 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.


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.


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.


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


Przebieg funkcji odcinka zależności 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.


Metody spektroskopowe odcinka zależności

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


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)


Spektrometria mas jonów wtórnych SIMS technikę sukcesywnego rozpylania jonowego:

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


  • Spektrometria mas służy do: technikę sukcesywnego rozpylania jonowego:

  • 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


W spektrometrach mas występują następujące elementy: technikę sukcesywnego rozpylania jonowego:

  • 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




Spektrometria mas jonów wtórnych SIMS postaci tzw. widma masowego. 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


Spektroskopia elektronów postaci tzw. widma masowego.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).


Możliwości AES postaci tzw. widma masowego.

  • 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).



  • Widmo metody AES składa się z dwóch podstawowych tworów: łatwo skupić, istnieje możliwość pomiaru punktowego.

  • 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


Informacje dostarczane dzięki emisji elektronów łatwo skupić, istnieje możliwość pomiaru punktowego.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).


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

Wadą metody jest jej niszczący charakter.


Spektroskopia fotoelektronów XPS próbki jonami gazu obojętnego (np. Ar+) w celu sukcesywnego usuwania powierzchni materiału.

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


Schematyczny rysunek przedstawiający wzbudzanie próbki promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.


  • Widmo metody XPS składa się z dwóch podstawowych tworów: promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

  • 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).


Możliwości XPS promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

  • 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


Wady XPS promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

  • 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).


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


Opis ilościowy struktury promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

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.


Analiza ilościowa struktury promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.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.


Analiza liczby obiektów promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

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


Analiza wielkości (rozmiaru) obiektów promieniowaniem RTG i emisji fotoelektronów.

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


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.


Analiza udziału objętościowego obiektów rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury.

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.


Analiza kształtu obiektów rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury.

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.


Analiza sposobu rozmieszczenia obiektów rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury.

  • 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.


F rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury. unkcja 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).


Metoda rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury. 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.


Wyznaczone w wyniku rozkładu danej wielkości, np. odchylenie standardowe, współczynnik zmienności itp. Dostarczają one dodatkowych informacji niezbędnych do prawidłowego opisania struktury. 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)


ad