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

ỨNG DỤNG
PHÁT XẠ
NHIỆT ĐIỆN TỬ
TRONG SEM
HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy
GVHD: PGS.TS Lê Văn Hiếu


(1889-1982), Russia


1. GIỚI THIỆU VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT
SEM
LƯỢC SỬ VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ 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.

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.
 Cường độ chùm điện tử phát ra
sẽ tuân theo định luật Richardson:
J = A.T2.exp(-F/kT)

Súng điện tử thường gồm ba
phần: sợi đốt (tungsten) hình
chữ V, hình trụ Wehnelt (điều
chỉnh dòng phát xạ e-) và anode


Comparison of Electron Sources at 20kV
Units

Tungsten

LaB6

FEG (cold)

FEG
(thermal)

FEG
(Schottky)

Work Function

eV

4.5

2.4

4.5

-

-

Operating
Temperature

K

2700

1700

300

-

1750

Current
Density

A/m2

5*104

106

1010

-

-

Crossover
Size

μm

50

10

<0.005

<0.005

0.015-0.030

Brightness

A/cm2 sr

105

5 × 106

108

108

108

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


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.


Hình 2.4: Cấu tạo của thấu kính từ
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)
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:



E 
2
m

E
1




e
2
E
0 

r  
eB

1
2


.

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)


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



All lenses have spherical
aberration -minimum spot size
dmin = 0.5Cs a3



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

DOLC


Sắc sai (Chromatic aberration)


a





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


Cách khắc phục quang sai
1/ Độ đơn sắc
Chọn nguồn phát xạ nhiệt thích hợp
Giảm E
Giảm quang sai và tăng độ phân giải

2/ Chiếu chùm xung, giảm thế áp vào điện cực, giúp cho việc hội tụ
các e- chậm và e- nhanh hơn cùng lúc.
3/ Giảm tiêu cự vật kính (bằng cách điều chỉnh dòng (thế).
4/ Đặt thêm khẩu độ.


Mẫu được
đặt vào
trong Tk ->
giảm f->

giảm cầu
sai


4. ƯU ĐIỂM CỦA SEM


Kính hiển vi điện tử chúng ta có thể biết được cấu trúc tinh thể
cũng như bề mặt của mẫu vật.



Phân tích mà không cần phá hủy mẫu vật



Hoạt động ở chân không thấp.



Tốc độ thu dữ liệu nhanh.



Độ phân giải cao



Việc chuẩn bị mẫu đơn giản



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