Электронная микроскопия низких энергий

Низкоэнергетический электронный микроскоп, используемый для исследований поверхности в лаборатории исследований материалов Фредерика Зейтца Университета Иллинойса в Урбане, штат Иллинойс, США.

Низкоэнергетическая электронная микроскопия или LEEM - это аналитический метод науки о поверхности , используемый для получения изображений атомно-чистых поверхностей, взаимодействий атома с поверхностью и тонких (кристаллических) пленок. ^[1] В LEEM электроны высокой энергии (15-20 кэВ) испускаются из электронной пушки., сфокусированный с помощью комплекта конденсаторной оптики и направленный через магнитный отражатель луча (обычно 60˚ или 90˚). «Быстрые» электроны проходят через линзу объектива и начинают замедляться до низких энергий (1–100 эВ) у поверхности образца, потому что образец удерживается под потенциалом, близким к потенциалу пушки. Электроны с низкой энергией теперь называются «поверхностно-чувствительными», а глубину отбора пробы у поверхности можно изменять, настраивая энергию падающих электронов (разность между потенциалами образца и пушки за вычетом работы выходаобразца и системы). Упруго рассеянные обратно электроны с низкой энергией проходят обратно через линзу объектива, снова ускоряются до напряжения пушки (поскольку линза объектива заземлена) и снова проходят через разделитель пучка. Однако теперь электроны уходят от конденсаторной оптики в линзы проектора. Отображение задней фокальной плоскости линзы объектива в предметной плоскости объектива проектора (с использованием промежуточной линзы) дает дифракционную картину ( дифракцию низкоэнергетических электронов , LEED) в плоскости изображения, которая записывается несколькими различными способами. Распределение интенсивности дифракционнойКартина будет зависеть от периодичности на поверхности образца и является прямым результатом волновой природы электронов. Можно получить отдельные изображения интенсивностей пятен дифракционной картины, отключив промежуточную линзу и вставив контрастную апертуру в задней фокальной плоскости линзы объектива (или, в современных приборах, в центре разделителя. (выбирается возбуждением линзы объектива), что позволяет в реальном времени наблюдать за динамическими процессами на поверхностях. Такие явления включают (но не ограничиваются ими): томографию, фазовые переходы, адсорбцию, реакцию, сегрегацию, рост тонкой пленки, травление, снятие напряжения, сублимацию и магнитную микроструктуру. Эти исследования возможны только из-за доступности образца;что позволяет проводить широкий спектр исследований in situ в широком диапазоне температур. LEEM был изобретенЭрнст Бауэр в 1962 году; однако, не был полностью разработан (Эрнст Бауэр и Вольфганг Телепс ) до 1985 года.

Введение [ править ]

LEEM отличается от обычных электронных микроскопов по четырем основным направлениям:

Образец должен освещаться с той же стороны, что и оптика формирования изображения, то есть через линзу объектива, поскольку образцы непрозрачны для электронов с низкой энергией;
Чтобы отделить падающие и упруго рассеянные электроны с низкой энергией, ученые используют магнитные разделители пучка с «электронной призмой», которые фокусируют электроны как в плоскости луча, так и вне ее (чтобы избежать искажений в изображении и дифракционных картинах);
В электростатической иммерсии линза объектива приближает образец к образцу пушки, замедляя электроны с высокой энергией до желаемой энергии только непосредственно перед взаимодействием с поверхностью образца;
Прибор должен быть способен работать в условиях сверхвысокого вакуума (UHV) или 10 ^-10 торр (760 торр = 1 атм, атмосферное давление), хотя приборы для «давления, близкого к окружающему» (NAP-LEEM) были разработаны путем добавления отсек более высокого давления и ступени дифференциальной откачки, позволяющие выдерживать давление в камере для образцов до 10 ^-1 мбар. ^[2]

Дифракция на поверхности [ править ]

Конструкция сферы Эвальда для случая нормального падения первичного электронного пучка. Здесь это делается в типичной установке LEED, однако в LEEM есть сложная электронная оптика, которая позволяет отображать результирующие дифракционные картины и, следовательно, поверхность образца.

Кинематическое или упругое обратное рассеяние возникает, когда электроны с низкой энергией (1–100 эВ) сталкиваются с чистым, хорошо упорядоченным кристаллическим образцом. Предполагается, что каждый электрон испытывает только одно событие рассеяния, а падающий электронный пучок описывается как плоская волна с длиной волны:

{\begin{aligned}\lambda ={\frac {h}{\sqrt {2mE}}},\qquad \lambda [{\textrm {A}}]={\sqrt {\frac {150}{E[{\textrm {eV}}]}}}\end{aligned}}

Обратное пространство используется для описания периодичности решетки и взаимодействия плоской волны с поверхностью образца. В обратном (или «k-пространстве») пространстве волновые векторы падающей и рассеянной волн равны и , соответственно, ${\textbf {k}}_{0}=2\pi /\lambda _{0}$ ${\begin{aligned}{\textbf {k}}=2\pi /\lambda \end{aligned}}$

а конструктивная интерференция возникает при условии Лауэ:

{\textbf {k}}-{\textbf {k}}_{0}={\textbf {G}}_{\textrm {hkl}}

где (h, k, l) - набор целых чисел и

{\textbf {G}}_{\textrm {hkl}}=h{\textbf {a}}^{*}+k{\textbf {b}}^{*}+l{\textbf {c}}^{*}

- вектор обратной решетки.

Экспериментальная установка [ править ]

Типичный объектив LEEM / LEED и диаграмма лучей.

Типичная установка LEEM состоит из электронной пушки , используемой для генерации электронов посредством термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии из наконечника источника. При термоэлектронной эмиссии электроны покидают наконечник источника (обычно сделанный из LaB ₆) за счет резистивного нагрева и приложения электрического поля для эффективного снижения энергии, необходимой для выхода электронов с поверхности. Как только достигается достаточная энергия тепловых колебаний, электроны могут преодолеть этот электростатический энергетический барьер, позволяя им перемещаться в вакуум и ускоряться вниз по столбу линзы до потенциала пушки (поскольку линзы находятся на земле). При автоэлектронной эмиссии вместо нагрева иглы для вибрационного возбуждения электронов с поверхности острие источника (обычно из вольфрама) заостряется до такой маленькой точки, что при приложении больших электрических полей они концентрируются на острие, снижая барьер для выхода. поверхности, а также делает более возможным туннелирование электронов от иглы до уровня вакуума.

Конденсаторная / осветительная оптика используется для фокусировки электронов, покидающих электронную пушку, и манипулирования и / или перемещения осветительного электронного луча. Используются электромагнитные квадрупольные электронные линзы, количество которых зависит от того, какое разрешение и гибкость фокусировки желает дизайнер. Однако окончательное разрешение LEEM обычно определяется разрешающей способностью объектива.

Апертура светового луча позволяет исследователям контролировать освещаемую область образца (версия LEEM электронной микроскопии «дифракция выбранной области», называемая микродифракцией) и расположена в разделителе луча на стороне освещения.

Магнитный разделитель луча необходим для разрешения светового луча и луча изображения (при этом, в свою очередь, пространственно разделяет оптику для каждого из них). Технология электронно-лучевых сепараторов получила большое развитие; ранние сепараторы вносили искажения либо в изображение, либо в плоскость дифракции. Тем не менее, IBM недавно разработала гибридную конструкцию решетки призм / вложенного квадратичного поля, фокусирующую электронные лучи как в плоскости луча, так и вне ее, что позволяет отклонять и переносить плоскости изображения и дифракции без искажений или дисперсии энергии.

Электростатическая иммерсионная линза объектива используется для формирования реального изображения образца посредством виртуального изображения за образцом с увеличением 2/3. Равномерность электростатического поля между линзой объектива и образцом, ограниченная сферическими и хроматическими аберрациями, более крупными, чем у любых других линз, в конечном итоге определяет общие характеристики прибора.

Контрастная апертура расположена в центре светоделителя со стороны линзы проектора. В большинстве электронных микроскопов апертура для контраста вводится в задний фокальный план линзы объектива (где находится фактическая плоскость дифракции). Однако это неверно в LEEM, потому что получение изображений в темном поле (отображение незеркальных лучей) было бы невозможно, потому что апертура должна перемещаться вбок и перехватывать падающий луч при больших смещениях. Поэтому исследователи регулируют возбуждение линзы объектива так, чтобы получить изображение дифракционной картины в середине разделителя пучка, и выбирают желаемую интенсивность пятна для изображения с помощью вставленной в него контрастной апертуры. Эта апертура позволяет ученым отображать значения интенсивности дифракции, которые могут представлять особый интерес (темное поле).

Осветительная оптика используется для увеличения изображения или дифракционной картины и проецирования ее на пластину или экран формирования изображения. Пластина для визуализации или экран, используемый для отображения интенсивности электронов, чтобы мы могли ее видеть. Это можно сделать множеством различных способов, включая фосфоресцентные экраны, пластины для визуализации, ПЗС-матрицы и другие.

Специализированные методы визуализации [ править ]

Изображение Cr (100) в светлом поле (ступенчатый / фазовый контраст) методом LEEM. Атомные ступени, сгустки ступеней, островки и террасы легко различимы по вертикальному дифракционному контрасту, обусловленному волновой природой электронов. Поле зрения 5,6 мкм.

Изображение LEEM, соответствующее субмонослойной пленке палладия (темный контраст), выращенной на поверхности (110) кристалла вольфрама (яркий контраст). Едва заметные островки - это карбиды вольфрама из-за загрязнения углеродом. Диаметр отображаемой области 10 мкм .

Дифракция электронов низких энергий (ДМЭ) [ править ]

После того, как параллельный пучок низкоэнергетических электронов взаимодействует с образцом, электроны образуют дифракционную картину или картину ДМЭ, которая зависит от периодичности, присутствующей на поверхности, и является прямым результатом волновой природы электрона. Важно отметить, что в обычном ДМЭ вся поверхность образца освещается параллельным пучком электронов, и поэтому дифракционная картина будет содержать информацию обо всей поверхности.

LEED, выполняемый в приборе LEEM (иногда называемый дифракцией электронов с очень низкой энергией (VLEED) из-за еще более низких энергий электронов), ограничивает площадь, освещаемую пятном луча, обычно порядка квадратных микрометров. Дифракционная картина формируется в задней фокальной плоскости линзы объектива, отображается в плоскости объекта проекционной линзы (с использованием промежуточной линзы), а окончательная картина появляется на фосфоресцентном экране, фотографической пластине или ПЗС-матрице.

Поскольку отраженные электроны отклоняются призмой от источника электронов, зеркально отраженные электроны могут быть измерены, даже начиная с нулевой энергии приземления, поскольку на экране не видно тени от источника (что предотвращает это в обычных приборах LEED). . Стоит отметить, что расстояние между дифрагированными пучками не увеличивается с кинетической энергией, как в обычных системах ДМЭ. Это происходит из-за того, что отображаемые электроны ускоряются до высокой энергии формирующего столбца и, следовательно, отображаются с постоянным размером K-пространства независимо от энергии падающих электронов.

Микродифракция [ править ]

Микродифракция концептуально аналогична LEED. Однако, в отличие от эксперимента LEED, где площадь поверхности образца составляет несколько квадратных миллиметров, источник света и апертура луча вставляются на путь луча при визуализации поверхности и, таким образом, уменьшаются размеры площади поверхности образца. Выбранная площадь варьируется от долей квадратного микрометра до квадратных микрометров. Если поверхность неоднородна, дифракционная картина, полученная в результате эксперимента LEED, выглядит извилистой и поэтому ее трудно анализировать. В эксперименте по микродифракции исследователи могут сосредоточиться на конкретном острове, террасе, домене и т. Д. И получить дифракционную картину, состоящую исключительно из одного элемента поверхности, что делает этот метод чрезвычайно полезным.

Графен на SiC состоит из доменов разного порядка упаковки. (слева) Микрофотография LEEM в светлом поле образцов двухслойного, трехслойного и четырехслойного интеркалированного графена. (справа) Изображение той же области в темном поле. Хорошо видны области переменного контраста, указывающие на области разного порядка наложения. По материалам ^[3]

Изображение светлого поля [ править ]

Визуализация в светлом поле использует зеркальный, отраженный (0,0) луч для формирования изображения. Визуализация в светлом поле, также известная как фазовая или интерференционная контрастная визуализация, особенно использует волновую природу электрона для создания вертикального дифракционного контраста, делая ступени на поверхности видимыми.

Визуализация темного поля [ править ]

При визуализации в темном поле (также называемой дифракционно-контрастной визуализацией) исследователи выбирают желаемое дифракционное пятно и используют контрастную апертуру, чтобы пропускать только те электроны, которые вносят вклад в это конкретное пятно. В плоскостях изображения после контрастной апертуры можно наблюдать, откуда в реальном пространстве берут начало электроны. Этот метод позволяет ученым изучить, на каких участках образца существует структура с определенным вектором решетки (периодичностью).

Спектроскопия [ править ]

Как (микро) дифракция, так и формирование изображений в светлом и темном поле могут быть выполнены в зависимости от энергии приземления электрона, измеряя дифракционную картину или изображение для диапазона энергий. Этот способ измерения (часто называемый LEEM-IV) дает спектры для каждого дифракционного пятна или положения образца. В простейшей форме этот спектр дает "отпечаток пальца" поверхности, позволяя идентифицировать различные структуры поверхности.

Частным применением светлопольной спектроскопии является подсчет точного количества слоев в слоистых материалах, таких как (многослойный) графен , гексагональный нитрид бора и некоторые дихалькогениды переходных металлов . ^[4]^[5]^[6]

Электронная микроскопия фотовозбуждения (ПЭМ) стержней Ag на Si. Здесь ртутная лампа генерирует фотоны с энергией, чуть превышающей порог работы выхода Ag, и отображается результирующая вторичная электронная эмиссия.

Фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM) [ править ]

В фотоэмиссионной электронной микроскопии (PEEM) при воздействии электромагнитного излучения (фотонов) вторичные электроны возбуждаются с поверхности и отображаются. PEEM был впервые разработан в начале 1930-х годов с использованием ультрафиолетового (УФ) света для индукции фотоэмиссии (вторичных) электронов. Однако с тех пор этот метод добился многих успехов, наиболее важным из которых было объединение ПЭИМ с источником синхротронного света , обеспечивающее перестраиваемое линейно поляризованное, левое и правое циркуляризованное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Такое приложение позволяет ученым восстанавливать топографический, элементный, химический и магнитный контраст поверхностей.

Инструменты LEEM часто оснащены источниками света для получения изображений PEEM. Это помогает в согласовании системы и позволяет собирать данные LEEM, PEEM и ARPES для одного образца в одном приборе.

Зеркальная электронная микроскопия (ЗЭМ) [ править ]

В зеркальной электронной микроскопии электроны замедляются в тормозящем поле линзы конденсатора до предела прибора и, таким образом, могут взаимодействовать только с «приповерхностной» областью образца. Очень сложно понять, откуда происходят точные вариации контраста, но здесь важно отметить, что вариации высоты на поверхности области изменяют свойства замедляющего поля, тем самым влияя на отраженный (зеркальный) луч. Диаграмма ДМЭ не формируется, потому что не было событий рассеяния, и, следовательно, отраженная интенсивность высока.

Отражательная контрастная визуализация [ править ]

Упругое обратное рассеяние низкоэнергетических электронов от поверхностей является сильным. Коэффициенты отражательной способности поверхностей сильно зависят от энергии падающих электронов и заряда ядра немонотонным образом. Следовательно, контраст можно максимизировать, варьируя энергию электронов, падающих на поверхность.

Спин-поляризованный ЛИМ (SPLEEM) [ править ]

SPLEEM использует спин-поляризованные освещающие электроны для изображения магнитной структуры поверхности посредством спин-спиновой связи падающих электронов с электронами поверхности.

Другое [ править ]

Другие продвинутые методы включают: ^[4]

Потенциометрия низкоэнергетических электронов : определение сдвига спектров LEEM позволяет определить локальную работу выхода и электрический потенциал.
ARRES : угловая разрешенная спектроскопия отраженных электронов.
eV-TEM : просвечивающая электронная микроскопия при энергиях LEEM.

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Bauer, E (1994). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия». Отчеты о достижениях физики . 57 (9): 895–938. Bibcode : 1994RPPh ... 57..895B . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 57/9/002 . ISSN 0034-4885 .
^ Франц, Торстен; фон Бон, Бернхард; Маркетто, Хелдер; Боркенхаген, Бенджамин; Лилиенкамп, Герхард; Даум, Винфрид; Имбиль, Рональд (2019). «Каталитическое окисление CO на Pt при давлении, близком к атмосферному: исследование NAP-LEEM». Ультрамикроскопия . Elsevier BV. 200 : 73–78. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2019.02.024 . ISSN 0304-3991 . PMID 30836286 .
^ де Йонг, TA; Красовский, Э.Е .; Ott, C .; Тромп, РМ; ван дер Молен, SJ; Джобст, Дж. (31 октября 2018 г.). «Собственные стэкинг-домены в графене на карбиде кремния: путь интеркаляции» . Материалы физического обзора . Американское физическое общество (APS). 2 (10). DOI : 10.1103 / physrevmaterials.2.104005 . ISSN 2475-9953 .
^ а б Тромп, Рудольф (2019). «Спектроскопия с помощью электронного микроскопа низких энергий». В Хоуксе, Питер У .; Спенс, Джон CH (ред.). Справочник Springer по микроскопии . Справочники Springer. Издательство Springer International. С. 576–581. DOI : 10.1007 / 978-3-030-00069-1_11 . ISBN 978-3-030-00069-1.
^ де ла Баррера, Серджио К.; Линь Юй-Чуань; Эйхфельд, Сара М .; Робинсон, Джошуа А .; Гао, Цинь; Видом, Майкл; Финстра, Рэндалл М. (июль 2016 г.). «Определение толщины атомарно тонкого WSe2 на эпитаксиальном графене с помощью осцилляций отражательной способности электронов низкой энергии» . Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления . Американское вакуумное общество. 34 (4): 04J106. DOI : 10.1116 / 1.4954642 .
^ де Йонг, Тобиас А .; Йобст, Йоханнес; Ю, Хёбин; Красовский, Евгений Е .; Ким, Филипп; ван дер Молен, Sense Jan (2018). "Измерение локального угла закрутки и расположения слоев в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса" . Physica Status Solidi B . Вайли. 255 (12): 1800191. DOI : 10.1002 / pssb.201800191 .

Бауэр, Эрнст (1998). «Основы LEEM». Поверхностное обозрение и письма . 5 (6): 1275–1286. Bibcode : 1998SRL ..... 5.1275B . DOI : 10.1142 / S0218625X98001614 .
Бауэр, Эрнст (1994). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия» . Rep. Prog. Phys . 57 (9): 895–938. Bibcode : 1994RPPh ... 57..895B . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 57/9/002 .
Тромп, RM (2000). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия» (PDF) . IBM J. Res. Dev . 44 (4): 503–516. DOI : 10.1147 / rd.444.0503 .
Anders, S .; Padmore, Howard A .; Дуарте, Роберт М .; Реннер, Тимоти; Стаммлер, Томас; Шолль, Андреас; Scheinfein, Michael R .; Штер, Иоахим; и другие. (1999). «Фотоэмиссионный электронный микроскоп для исследования магнитных материалов» . Обзор научных инструментов . 70 (10): 3973–3981. Bibcode : 1999RScI ... 70.3973A . DOI : 10.1063 / 1.1150023 . Архивировано из оригинала на 2013-02-23 . Проверено 19 марта 2020 .

[Bauer1994-1] Перейти ↑ Bauer, E (1994). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия». Отчеты о достижениях физики . 57 (9): 895–938. Bibcode : 1994RPPh ... 57..895B . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 57/9/002 . ISSN 0034-4885 .

[Franz_von_Boehn_Marchetto_Borkenhagen_2019_pp._73–78-2] Франц, Торстен; фон Бон, Бернхард; Маркетто, Хелдер; Боркенхаген, Бенджамин; Лилиенкамп, Герхард; Даум, Винфрид; Имбиль, Рональд (2019). «Каталитическое окисление CO на Pt при давлении, близком к атмосферному: исследование NAP-LEEM». Ультрамикроскопия . Elsevier BV. 200 : 73–78. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2019.02.024 . ISSN 0304-3991 . PMID 30836286 .

[de_Jong_Krasovskii_Ott_Tromp_p.-3] де Йонг, TA; Красовский, Э.Е .; Ott, C .; Тромп, РМ; ван дер Молен, SJ; Джобст, Дж. (31 октября 2018 г.). «Собственные стэкинг-домены в графене на карбиде кремния: путь интеркаляции» . Материалы физического обзора . Американское физическое общество (APS). 2 (10). DOI : 10.1103 / physrevmaterials.2.104005 . ISSN 2475-9953 .

[tromp-leemIV-4] а б Тромп, Рудольф (2019). «Спектроскопия с помощью электронного микроскопа низких энергий». В Хоуксе, Питер У .; Спенс, Джон CH (ред.). Справочник Springer по микроскопии . Справочники Springer. Издательство Springer International. С. 576–581. DOI : 10.1007 / 978-3-030-00069-1_11 . ISBN 978-3-030-00069-1.

[5] де ла Баррера, Серджио К.; Линь Юй-Чуань; Эйхфельд, Сара М .; Робинсон, Джошуа А .; Гао, Цинь; Видом, Майкл; Финстра, Рэндалл М. (июль 2016 г.). «Определение толщины атомарно тонкого WSe2 на эпитаксиальном графене с помощью осцилляций отражательной способности электронов низкой энергии» . Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления . Американское вакуумное общество. 34 (4): 04J106. DOI : 10.1116 / 1.4954642 .

[6] де Йонг, Тобиас А .; Йобст, Йоханнес; Ю, Хёбин; Красовский, Евгений Е .; Ким, Филипп; ван дер Молен, Sense Jan (2018). "Измерение локального угла закрутки и расположения слоев в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса" . Physica Status Solidi B . Вайли. 255 (12): 1800191. DOI : 10.1002 / pssb.201800191 .

[1]