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Interação feixe - material
Quando se fala em microscopia eletrônica é fundamental entender o efeito de
espalhamento dos elétros quando interagindo com o material.
- Microscopia ótica – so forma imagem se o material interagir com a luz vizivel
- Microscopia eletrônica – so forma imagem se ocorrer interação o elétron
com o materia
- Elétrons que atingem a amostra : Feixe incidente ( Incident beam)
- Elétrons espalhados : feixe espalhado ( scattered bean) ( diffrated beam)
- Elétrons que atravéssam a amostra, desviam pouco sua trajetória, Feixe direto (
direct beam, transmited beam
Microscopio Eletronico
Para obter sinais de boa qualidade temos que fornecer sinais de qualidade à
amostra. Temos que ter um feixe de eletrons estreito . Adicionalmente podem ser
usados dispositivos de correção como o Cs , sistemas de correção de aberrações.
Interação feixe - material
Interações podem ser elasticas ou inelásticas
Interações elásticas – nao apresentam perda de energia, ou perda pequena.
Geralmente são coerentes. Energia do eletron = Eel é a mesma que a energia
original do feixe
Interações inelásticas – envolvem perda de energia. Geralmente sao incoerentes.
A energia transferida para o material gera sinais de raios-x, eletrons Auger,
Eletrons secundarios, plasmons, phonons, UV, catodoluminescencia. Sinais
utilizados em microscopia analitica
Interação feixe - material
Interação feixe - ELASTICA
Variação de energia pequena
Incoerente para altos angulos (10o)
Coerente para baixos angulos (1o)
Experiencia de Rutherford
Seção de choque
Interações – parametros importantes
Angulo de espalhamento ( radianos ) - é de fato um semi-angulo.
Angulo de espalhamento
Angulo total de espalhamento
Incremento no angulo de espalhamento d
Incremento no ângulo total d
As características de espalhamento dependem
da energia do eletron incidente, o numero
atomico do atomo que provoca o
espalhamento, espessura, densidade,
cristalinidade e inclinação da amostra.
Interações – parametros importantes
seção transversal de interação (seçao de choque) () - A seção
transversal de espalhamento é uma expressão que descreve a probabilidade
que um evento particular terá de acontecer. As dimensões da seção
transversal são de área, e o termo pode ser pensado como descrevendo o
tamanho efetivo do alvo aparente para as partículas incidentes. A secção
transversal não representa uma área física mas sim uma probabilidade de que
o espalhamento vai ocorrer.
Na presença de 1 eletron
Em um material
Interação feixe - ELASTICA
Angulos pequenos, pequena variação
resultam em grande queda da
probabilidade de interação
Interações de baixo ângulo são mais
prováveis
Maior Peso atômico,
maior seção de choque
Maior voltagem
menor seção de
choque
Interação feixe - INELÁSTICAS
• Envolvem perda de energia – o sistema é excitado
• Ângulo é pequeno
• Sinal incoerênte
Interação feixe - material
As interações podem ser
- Forward scattering – o espalhamento envolvem angulos menores que 90o
- back scattering – o espalhamento envolve angulos maiores que 90o
- Interação simples
- Interações multiplas
- A difração é o desvio da direção da onda quando atinge um obstaculo em
seu caminho
- Espalhamento é o processo pelo qual a particula é defletido como
resultado de uma colisao.
- Assim – Difração para onda e espalhamento para partícula
Interações – parametros importantes
Livre Caminho Médio - é a distância média que um elétron viaja em um
material entre dois eventos de um tipo particular de espalhamento. O valor
para o livre caminho médio é, então, específico para um evento de
espalhamento particular. O livre caminho médio pode ser calculado a partir
da seção transversal de espalhamento usando a relação
Probabilidade do eletron sofrer espalhamento
Livre caminho médio
MONTE CARLO SIMULATION
Interação feixe
Maior voltagem maior livre caminho
médio
Menor peso
atômico maior
livre caminho
médio
Interações – parametros importantes
Volume de Interação – um conjunto inteiro de interações e eventos de
espalhamento são possíveis, sendo ineláticas ou elásticas
O método de Monte Carlo é uma técnica matemática que tenta modelar a
forma do volume de interação, simulando um número grande de trajetórias
de elétron pelo sólido.
Considera sinais de raios-X característico, elétrons Auger e emissão de
elétron secundário.
A forma e a profundidade do volume de interação são dependentes da tensão
de aceleração, inclinação, e densidade do material. E afetado pelo número
atômico da amostra, pela energia do feixe incidente dos elétrons e o ângulo
de inclinação da amostra. Se o evento de espalhamento dominante é elástico,
ou inelástico, depende do número atômico do material e da energia do feixe
usado.
Se o evento dominante for elástico, os elétrons tenderão a se espalhar para
longe da direção do feixe incidente, dando 'largura' ao volume de interação.
se o evento dominante for inelástico, os elétrons sofrerão menor desvio e
penetrarão na amostra ao longo das suas trajetórias originais, mas perdendo
energia durante seu trajeto.
Interações – parametros importantes
MONTE CARLO SIMULATION
Interações – parametros importantes
Interações – parametros importantes
Interações – parametros importantes
Interações – parametros importantes
Dependência com a energia do feixe
Quando a energia do feixe aumenta, os elétrons penetram mais na amostra,.
Quando os elétrons perdem energia, a probabilidade de espalhamento
elástico aumenta
A taxa de perda de energia é inversamente proporcional à energia do elétron.
Isto significa que quando a energia de feixe de elétron aumenta, a taxa com a
qual estes elétrons perdem energia diminui, desta forma eles penetrarão mais
na amostra.
Dependência com a inclinação da amostra
Quando a amostra está inclinada com relação à
direção horizontal, o volume de interação já não se parece simétrico,
Também pode ser observado que a emissão
de elétrons retroespalhados aumenta rapidamente com o aumento da
inclinação da
amostra.
Interações
Interações – parametros importantes
Emissão de raios-X característicos
A interação de um elétron de alta energia com um átomo, pode resultar
na ejeção de um elétron de uma camada atômica interna. Isto deixa o átomo
em estado ionizado ou excitado, com uma vacância nesta camada.
A de excitação pode acontecer por um elétron de uma camada mais externa
que venha a preencher a vacância
A variação em energia é determinada pela estrutura eletrônica do átomo que
é única para cada elemento. Esta energia 'característica' pode ser libertada do
átomo de dois modos: a primeira é a emissão de um fóton de raios-X com
uma energia característica específica para aquela transição e,
conseqüentemente, para o elemento.
A detecção de tais fótons fornece informação sobre a composição elementar
da amostra, em termos de quantidade e distribuição. O segundo modo é a
liberação dos chamados elétrons de Auger.
Interações – Raios-x característico
Germânio Puro
Posição absoluta
Intensidade relativa
Interações – Raios-x característico
Probabilidade de emissão de raios-x
Interações – parametros importantes
Elétrons Auger
O bombardeamento da amostra por elétrons de alta energia resulta em
átomos ionizados a uma certa profundidade, esta depende da tensão de
aceleração e da densidade do material, mas tipicamente é da ordem de 1um.
Um átomo ionizado pode emitir raios-X característico ou energia liberada
como um elétron.
Um elétron preenchendo a vacância inicial pode lançar outro elétron do
átomo em uma transição de baixa emissão de radiação chamada de efeito de
Auger.
Se um elétron da camada interna K é lançado e um elétron da camada
L preenche esta vacância, liberta energia e lança um elétron Auger da camada
L, a transição de Auger é então chamada de transição KLL.
Interações – parametros importantes
Elétrons Auger
Medidas das energias características dos elétrons de Auger formam a
base da espectroscopia de Auger. As energias dos picos de elétron Auger
permitem que todos os elementos, exceto hidrogênio e hélio, possam ser
identificados, uma vez que no mínimo três elétrons são necessários para o
processo de emissão.
A espectroscopiaAuger é uma técnica sensível à superfície, uma vez
que elétrons Auger gerados mais profundamente, que os das camadas
superficiais, perderão a sua 'assinatura' de energia enquanto caminham para
fora da amostra. Desta forma, o sinal detectado inclui elétrons gerados apenas
das poucas primeiras mono-camadas da amostra - aqueles que têm energia
suficiente para escapar.
A técnica é importante na caracterização de camadas superficiais e,
geralmente, é usado para monitorar o crescimento de filmes de epitaxiais.
Interações – Elétrons Auger
Não depende do nivel eletronico mas
da diferença de energia
Não depende do feixe primário
Problemas
- Ultra alto vácuo necessário
- Baixa contagens
Interações – parametros importantes
Catodoluminescência
Catodoluminescência (CL) é um termo que descreve o processo da
emissão de radiação eletromagnética nas regiões: visíveis, ultravioletas e
infravermelhas do espectro quando certos materiais são bombardeados com
elétrons de alta energia. Estes materiais emissores de luz, que geralmente são
isolantes ou semicondutores, têm preenchidas as bandas de valência e de
condução vazia com "gaps" de banda específicos do próprio material.
Quando um elétron incidente se espalha inelasticamente para fora do
átomo, elétrons na banda de valência preenchida podem ser promovidos para
a banda de condução, enquanto deixando uma vacância na banda de valência.
As energias dos "gaps" de banda estão, tipicamente, entre 2 e 5eV. Pares
elétron-lacuna vão se recombinar e liberar o excesso de energia na forma de
luz ou CL.
Interações – parametros importantes
Espalhamento de fônons
Uma quantidade significativa da energia perdida na amostra pelos
elétrons incidentes, resulta na criação de fônons,ou vibrações da rede.
Em cada interação, os elétrons incidentes podem perder ou podem ganhar
energia da ordem de kT (0.025 eV) onde T é temperatura em graus Kelvin e k
é a constante de Boltzman.
Tais interações fazem os átomos na rede vibrar, e isto efetivamente
aquece o sólido. Entretanto, a perda de energia é mínima, mas ângulos de
espalhamento podem ser significativos.
Interações – fonos e catodoluminescencia
Ele
ctr
on
Energ
y
High Energy Electron Conductio
n Band
Valence Band
Light!
++
+++++
---
--
-
-
Fixed positive
charges
Oscillating
negative charges
Interações – parametros importantes
Elétrons Secundários
O espalhamento inelástico de um elétron de alta energia com elétrons
de valência mais externos permite a emissão de elétrons secundários que são
caracterizados por terem uma energia cinética menor que 50eV.
No caso de metais estes são os elétrons de condução. Em semicondutores,
elétrons secundários são produzidos pela geração de pares elétron-lacuna e,
em isoladores, pela liberação de elétrons de valência.
Estes elétrons podem estar sujeitos a eventos
de espalhamento adicionais através dos quais a
energia é perdida e, então, somente elétrons
que têm energia suficiente para superar a
energia de barreira da superfície podem
escapar do material e contribuir com o sinal
detectado; estes são elétrons na superfície da
amostra.
Interações – parametros importantes
Emissão de Elétrons Secundários
A emissão de elétrons secundários é um dos sinais mais comuns
usados para produzir imagens no MEV, uma vez que a maioria do sinal está
confinado a uma região próxima do feixe incidente, e dá origem a uma
imagem de alta resolução.
Elétrons secundários também podem ser emitidos quando elétrons
retroespalhados saem da amostra, freqüentemente adistâncias maiores do
feixe.
Interações – parametros importantes
Elétrons Retroespalhados
Um número significativo dos elétrons incidentes que atingem uma
amostra grossa é re-emitido através da superfície do material. Estes elétrons
são conhecidos como elétrons retroespalhados, que sofreram espalhamentos
elásticos com alto ângulo no material, fazendo com que eles se aproximem da
superfície com energia suficiente escapar.
A intensidade do espalhamento está relacionada ao número atômico do
átomo; quanto maior o número atômico envolvido do material, maior
coeficiente de retroespalhamento, e maior rendimento.
Esta dependência do rendimento de
retroespalhamento com o número
atômico, forma a base para a diferenciação
entre fases diferentes provendo, assim, um
ponto de partida ideal para guiar uma
icroanálise adicional.
