Metode de caracterizare structurala in stiinta ... … · Metode de caracterizare ... va prezenta...
Transcript of Metode de caracterizare structurala in stiinta ... … · Metode de caracterizare ... va prezenta...
Dr. Eugeniu VASILE 1
1
Metode de caracterizare structurala in stiinta nanomaterialelor. Microscopie
electronica prin transmisie – fundamentesi aplicatii
Partea I
Dr. Eugeniu [email protected]
2
Conceptul de caracterizare a materialelor se poate referi la acestea in termeni atomici, dar si in termeni de proprietati, proceduri sau chiar distributii de tensiuni sau transfer de caldura. Definitia unanim acceptata in literatura este: caracterizarea descrie acele trasaturi de compozitie sistructura ( incluzand defecte) ale materialului care suntsemnificative (pentru o preparare particulara, pentru studiulunor proprietati sau pentru utilizarea acestuia) si suficientepentru reproductia materialului. Aceasta definitie limiteazametodele de caracterizare la acelea care furnizeazainformatii despre compozitie, structura si defecte si exclude acele metode care se refera la proprietati ale materialuluicum ar fi proprietatile termice, electrice sau mecanice.
Dr. Eugeniu VASILE 2
3
Scopul acestei suite de prezentari este de a face o trecere in revista a metodelor structurale analiticeaccesibile pentru participantii la curs in laboratoareleUPB. Avand in vedere timpul scurt disponibil cursul vaprezenta simplificat bazele teoretice ale metodelor avutein vedere, va prezenta mai ales prin exemple practice, informatiile structurale ce se pot obtine. Intentia este de a familiariza cursantul cu tehnicile pe care sa le aplice la rezolvarea problemei sale, de a-l ajuta sa identifice ceamai adecvata tehnica si a-i da suficiente cunostintepentru a interactiona cu un specialist in domeniulcaracterizarii structurale.Dintre cele mai utilizate tehnici de caracterizare a nanomaterialelor ne vom referi numai la acelea legate de difractia de raze X, microscopia electronica de baleiaj simicroscopia electronica prin transmisie.
4
IntroducereAvansul tehnologic din ultimele decade a facutnecesara miniaturizarea dispozitivelor la scarananometrica, performantele lor fundamentaleschimbandu-se insa radical. Acest fapt provoacaprobleme deosebite legate de obtinerea unor noimateriale cu proprietati specifice.Cu aplicatii potentiale in multe domenii ca electronica, optica, nanocompozitele, ceramicele, materialele nanofazice sinanostructurate constituie o ramura relativ nouain stiinta materialelor.
Dr. Eugeniu VASILE 3
5
Proprietatile unice si performantele imbunatatite ale nanomaterialelor sunt determinate de dimensiunile lor, de structura suprafetelor si de interactiile dintreparticule. In cele mai multe cazuri pentru proiectarea sicontrolul proprietatilor materiei nanostructurate trebuieluat in calcul rolul mare jucat de dimensiuneaparticulei, parametru comparabil ca importanta cu compozitia chimica.Nanomaterialele sunt clasificate in materialenanostructurate ( materiale masive facute din graunticu dimensiunea grauntilor in domeniul nanometric) simateriale nanofazice (sub forma de nanoparticuledispersabile). Domeniul nanometric acopera un domeniu larg de pana la 100 sau 200nm.
6
Metode si echipamente utilizate in stiinta nanomaterialelor
Microscopie opticaMicroscopie electronica
Scanning Electron Microscope (SEM)Transmission Electron Microscope (TEM)
Microsonde cu baleiaj (SPM)Scanning Tunneling Microscope (STM)Atomic Force Microscope (AFM)
Analiza de raze XX-Ray Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy (WDS) X-ray Diffraction (XRD)
Fascicol focalizat de ioni (FIB)Spectrometrie de masa/Analiza de gaze reziduale(Mass spec/RGA)
Secondary ion mass spectrometry (SIMS)
Spectrometrie in infrarosu cu transformata Fourier (FTIR)Spectroscopie de electroniAuger (Auger or AES)Spectroscopie de fotoelectronicu raze X (XPS)Fluorescenta de raze X (XRF)Spectroscopie Raman
Dr. Eugeniu VASILE 4
7
SpectroscopieElectromagnetica
De raze XEDSWDSXPS/ESCAXRF
UV/Vis (optica)UV/VisUltraviolet
InfrarosuFTIR (Fourier transform infrared spectroscopy)Raman
8
e- γ A+ e- γ A+
Sample
SpectroscopyInputs Outputs
Dr. Eugeniu VASILE 5
9
e-
γ
Sample
Electrons Out
Auger electrons
Secondary electron imaging
Backscattered electron imaging
Transmitted electrons
Electron diffraction
Electrons In
Photons out
Energy Dispersive Spectroscopy
Wavelength Dispersive Spectroscopy
Probe: Electrons
e-
10
γ e-γ
Sample
Photons InInfraredVisibleUltravioletX-Rays
Photons OutFTIRRamanVisibleUltravioletX-Ray FluorescenceX-Ray Diffraction
Electrons OutXPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy
Probe: Photons
Dr. Eugeniu VASILE 6
11
A+
A+
Sample
Ions In
Ions OutSIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry
ToF SIMS, Time of Flight SIMS,
ICP MS, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
Probe: Ions
12
BRAGG’S LAWnλ = 2 d sin θConstructive interference only occurs for certain θ’s correlating to a (hkl) plane, specifically when the path difference is equal to n wavelengths.
Dr. Eugeniu VASILE 7
13
14
Dr. Eugeniu VASILE 8
15
16
Smaller Crystals Produce Broader XRD PeaksSmaller Crystals Produce Broader XRD Peaks
Dr. Eugeniu VASILE 9
17
18
Dr. Eugeniu VASILE 10
19
20
Dr. Eugeniu VASILE 11
21
22
Dr. Eugeniu VASILE 12
23
24
Scanning Electron Microscopy
Utilizare
• Vizualizarea caracteristicilor suprafetelor la mariri cuprinse intre 10x si500.000x. Rezolutie: 1,4-100 nm, functie de proba;
• Atunci cand este echipat cu detector de electroni retroimprastiati, microscopul permite:
(1) observarea limitelor de graunte, pe probe neatacate;
(2) observarea domeniilor in materialele feromagnetice;
(3) evaluarea orientarilor cristalografice ale grauntilor cu diametre de 2‐10 μm;
(4) vizualizarea fazelor ce contin elemente cu numar atomic diferit.
• Atunci cand este echipat corespunzator, microscopul poate fi utilizat pentru detectareadefectelor si controlul calitatii dispozitivelor semiconductoare.
Dr. Eugeniu VASILE 13
25
Exemple de aplicatii
• Examinarea probelor pregatite metalografic, la mariri mult peste celepermise de microscopia optica;
• Examinarea suprafetelor de rupere si ale suprafetelor atacate adanc, permitand vizualizarea punctelor mult mai indepartate decat este posibil prinmicroscopie optica;
• Evaluarea orientarii cristalografice ale elementelor structurale, pe suprafetepregatite metalografic: graunti individuali, precipitate, dendrite, etc.;
• Evaluarea compozitiei chimice a elementelor structurale submicronice(incluziuni, precipitate, particule produse de uzura);
• Evaluarea gradientilor compozitionali pe distante de peste 1 μm;
• Examinarea dispozitivelor semiconductoare.
26
Probe
Forma: orice solid sau lichid avand presiunea de vapori scazuta(10‐3 torr sau 0.13 Pa);Dimensiuni: Limitata de tipul de microscop. In general, probe cu dimensiuni de 15‐20 cm pot fi introduse in microscop dar ariile ce pot fi examinate fararepozitionare sunt limitate la 4‐8 cm.
Preparare
Pentru materialele conductoare din punct de vedere electric sunt potrivitemetodele metalografice standard (polizare, lustruire si atac chimic). Materialeleneconductoare se acopera cu un strat fin de carbon, aur sau aliaj de aur. Probeletrebuie sa aiba contact electric cu holderul iar probele sub forma de pulberi se disperseaza pe un film conductor. Probele trebuie sa fie lipsite de lichide cu presiune mare de vapori, cum ar fi apa, solutii organice de curatire, uleiuri.
Dr. Eugeniu VASILE 14
27
LimitariCalitatea imaginilor pe probele plate, cum ar fi cele metalice polizate siatacate, este in general inferioara microscopiei optice, la mariri de sub 300‐400x;
Rezolutia, mult superioara microscopiei optice, este inferioaramicroscopiei electronice prin transmisie si microscopiei electronice printransmisie cu baleiaj.
Capabilitati ale tehnicilor complementare
Difractia de raze X: furnizeaza informatii cristalografice;Microscopia optica: mai rapida, mai ieftina, imagini mai bune la mariri de pana la 300‐4—x;
Microscopia electronica prin transmisie: furnizeaza informatii din structura intima a materialului: dislocatii, distributia limitelor la unghiurimici, clustere de vacante, etc. Rezolutie superioara dar necesita probe subtiri.
28
Dr. Eugeniu VASILE 15
29
30
Dr. Eugeniu VASILE 16
31
32
Dr. Eugeniu VASILE 17
33
34
Dr. Eugeniu VASILE 18
35
36
Dr. Eugeniu VASILE 19
37
38
Dr. Eugeniu VASILE 20
39
40
Aliaj Al-Ti-B
Dr. Eugeniu VASILE 21
41
Rupere mixta ductil-fragila
42
Otel inoxidabil ferito-austenitic
Dr. Eugeniu VASILE 22
43
Pulbere TiO2
44
Nanoparticule de carbon
Dr. Eugeniu VASILE 23
45
Latex
46
35 40 45 50 55 60 65 700
10
20
30
40
50
parti
cles
num
ber
diameter (nm)
Au30
Pulbere de aur
Dr. Eugeniu VASILE 24
47
5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.00
5
10
15
20
25
30
parti
cles
num
ber
diameter (nm)
Au10
48
Film subtire multistrat (Si-suport, SiO2, Pt, PZT, ZnO)
Dr. Eugeniu VASILE 25
49
Film subtire PZT