Microscopia electronica analitica

prin transmisie in stiinta

nanomaterialelorII) Spectrometria de pierdere de energie a

electronilor(EELS)

Dr.ing.fiz. Eugeniu Vasile

Continut

• -Informatia continuta in spectrul EELS

• -Aparatura

• -Achizitia spectrului

• -Analiza elementala calitativa

• -Microanaliza chimica cantitativa

• -Aplicatii

• -ELNES si EXELFS

• -Tipuri de EELS

De ce EELS?

• -Eficienta mare in analiza elementala, inclusiv

elementele usoare

• -Analiza cu rezolutie nanometrica

• -Informatii fizice si chimice

• -Harti cu distributii elementale

• -Analize complicate si posibile artefacte?

Interactia electronilor cu o proba subtire

Imprastierea

electronilor

incidenti pe

atomi

Schema de principiu a unui spectrometru EELS

GIF- Spectroscopie si Imagini

• GIF actioneaza atat ca un spectrometru paralel de pierdere de energie a electronilor (PEEL) cat si ca un sistem de obtinere a imaginilor cu filtrare de energie (EFTEM).

Spectroscopie (EELS)

• In modul de lucru spectroscopie, fereastra este retrasa si intreg spectrul de pierdere de energie este proiectat printr-un ansamblu de lentile pe o camera MSC.

Obtinerea imaginii

• Pentru obtinerea imaginilor, sistemul de lentile formeaza o imagine in locul unui spectru.

• Daca fereastra este inserata in lantul spectrometric, rezultatul este o imagine de energie filtrata. Ca rezultat, exista un contrast mai bun, o rezolutie mai buna sau se pot obtine informatii despre distributiile elementale intr-o structura (imagine TEM) vizualizata.

• Cu fereastra retrasa , GIF actioneaza ca o camera conventionala.

Dispersia si rezolutia spectrometrului

Dispersie

• -este distanta, din spectru, intre electronii ce difera in energie prin energia dE;

• -este functie de energia fascicolului incident Ɛ­o si de marimea spectrometrului;

• -in functie de tipul spectrometrului si camera CCD se pot selecta diferite dispersii.

Rezolutie

• -este latimea la jumatate (FWHM) a maximului de “ pierdere zero de energie” (ZL-zeroloss);

• -este determinata de tipul sursei de electroni : filament de wolfram- 3eV

LaB6 -1.5eV

FEG -0.3eV

monocromator -0.3eV

• -este limitata de interactiile electrostatice intre electronii initiali;

• -descreste cu cresterea valorii energiei pierdute(Ɛ) si cu cresterea tensiunii de accelerare;

• -este influentata de campuri magnetice externe.

Structura unui spectru EELS

TEM in stiinta

materialelor

Nanoparticule de

magnetita (Fe3O4)

cu invelis de

cupru:HRTEM,

EDS, EELS

Informatii continute in EELS

Regiunea de pierderi mici de energie (dE<50eV)

• -grosimea probei;

• -valenta si densitatea de electroni de conductie;

• -constanta dielectrica complexa.

Regiunea de pierderi mari de energie (dE>50eV)

• -compozitia elementala, elemente de la Li la U;

• -legaturi chimice si structura electronica;

• -distante interatomice.

Avantaje

• -eficienta mare de colectare a semnalului ( aprox.100%);

• -rezolutie spatiala mare (la limita dimensiunii fascicolului );

• -rezolutie energetica mare (la limita dispersiei energiei fascicolului incident si instabilitatilor instrumentale).

Imprastierea inelasticaElectron incident

Eo, Ko Electron excitat

Paturi interioare (miez) ale

atomului

Electroni de valenta

Electron primar imprastiat inelastic

E,K

dE=Eo-E

q=ko-k

Generarea semnalului EELS

Generarea semnalului EDX

Spectrele EDX si EELS

Grosimea probei,t

t = λln(Itot/ Io)

λ =drumul liber mediu intre doua ciocniri consecutive

-depinde de energia electronului incident si de Z

Ionizarea paturilor interioare-Analiza calitativa elementala

Ionizarea paturilor interioare - Analiza cantitativa elementala

Si L2,3 Ti L2,3O K

EELS

Be

Exemplu analiza cantitativa:Fe2O3

ELNES Energy-Loss Near Edge Fine Structures-informatie pentru identificarea

fazelor specifice

C K

• EXELFS = EXtended Energy Loss FineStructure-informatii despre aranjamentul atomic local:distante interatomice,numere de coordinatie;

-informatii la scara de cativa nanometri.

Exemplu EXELFS: SiC-functia de distributie radiala (RDF)

Exemplu EXELFS :TiB2

Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy

(EFTEM)

• Necesar pentru caracterizarea precipitatelor in metale, aliaje, oteluri,

ceramici,in scopul obtinerii unor informatii cantitative despre fazele

secundare;

• EFTEM este o tehnica de imbunatatire a contrastului;

• EFTEM este o tehnica de obtinere a hartilor de distributie

elementala;

• EFTEM este o tehnica analitica,inregistrand si cuantificand spectre

EELS (si harti) pentru furnizarea unor analize chimice locale precise

pe probe subtiri.

Imbunatatirea contrastului

unfiltered zero-loss filtered: 0 ±5 eV

Imagini cu filtrare de energieTEMBF nefiltrata EFTEMBF cu filtrare (0+/-5)eV

Imagine filtrata cu pierdere dE pe plasmoniTEMBF imagine filtrata (50 +/_2.5eV

• Imagini EFTEM-distributia fazelor chimice

• 1.R.F. Egerton, Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron

Microscope, Plenum Press (1996), New York

• 2.D.B.Williams, C.B.Carter, Transmission Electron Microscopy in

Materials Science, Plenum Press (1996), New York

• 3.C.C. Ahn (ed.), Transmission Electron Energy-Loss Spectrometry

in Materials Science, Wiley-VCH (2004), Weinheim

• 4.M. Albu,…, Electron Energy-loss Spectrometry, Eskisehir (2009)

Bibliografie