Электронная микроскопия низких энергий - Low-energy electron microscopy

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

Электронная микроскопия низких энергий, или же ЛИМ, является аналитическим наука о поверхности техника, используемая для изображения атомно-чистых поверхностей, взаимодействий атома-поверхность и тонких (кристаллических) пленок.^[1] В LEEM электроны высокой энергии (15-20 кэВ) испускаются из электронная пушка, 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», и глубину отбора пробы у поверхности можно изменять, настраивая энергию падающих электронов (разность между потенциалами образца и пушки минус рабочие функции образца 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 перемещаются от оптики конденсатора в линзы проектора. Отображение задней фокальной плоскости линзы объектива в предметной плоскости линзы проектора (с использованием промежуточной линзы) дает дифракционную картину (дифракция низкоэнергетических электронов, LEED) в плоскости изображения и записывались различными способами. Распределение интенсивности дифракция Картина будет зависеть от периодичности на поверхности образца и является прямым результатом волновой природы электронов. Можно получить отдельные изображения интенсивностей пятен дифракционной картины, выключив 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 поверхности. Такие явления включают (но не ограничиваются ими): томографию, фазовые переходы, адсорбцию, реакцию, сегрегацию, рост тонких пленок, 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 изобретен Эрнст Бауэр в 1962 г .; однако, не полностью разработан (Эрнст Бауэр и Вольфганг Телипс ) до 1985 года.

Вступление

LEEM отличается от обычных электронных микроскопов по четырем основным направлениям:

1. Образец должен освещаться с той же стороны, что и оптика формирования изображения, то есть через линзу объектива, поскольку образцы не прозрачны для электронов с низкой энергией;
2. Чтобы отделить падающие и упруго рассеянные электроны с низкой энергией, ученые используют магнитные разделители пучка «электронная призма», которые фокусируют электроны как в плоскости луча, так и вне ее (чтобы избежать искажений в изображении и дифракционных картинах);
3. 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;
4. Прибор должен 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 камеры с более высоким давлением и ступеней дифференциальной откачки, что позволяет выдерживать давление в помещении для отбора проб до 10⁻¹ мбар^[2].

Дифракция на поверхности

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 полученные дифракционные картины и, следовательно, поверхность образца.

Кинематическое или упругое обратное рассеяние возникает, когда электроны низкой энергии (1–100 эВ) падают на чистый, хорошо упорядоченный кристаллический образец. Предполагается, что каждый электрон испытывает только одно событие рассеяния, а падающий электронный пучок описывается как плоская волна с длиной волны:

${displaystyle {egin{aligned}lambda ={frac {h}{sqrt {2mE}}},qquad lambda [{ extrm {A}}]={sqrt {frac {150}{E[{ extrm {eV}}]}}}end{aligned}}}$

Обратное пространство используется для описания периодичности решетки и взаимодействия плоской волны с поверхностью образца. В обратном (или «k-пространстве») пространстве волновой вектор падающей и рассеянной волн равен ${displaystyle { extbf {k}}_{0}=2pi /lambda _{0}}$ и ${displaystyle {egin{aligned}{ extbf {k}}=2pi /lambda end{aligned}}}$, соответственно,

а конструктивная интерференция возникает при условии Лауэ:

${displaystyle { extbf {k}}-{ extbf {k}}_{0}={ extbf {G}}_{ extrm {hkl}}}$

где (h, k, l) - набор целых чисел и

${displaystyle { extbf {G}}_{ extrm {hkl}}=h{ extbf {a}}^{*}+k{ extbf {b}}^{*}+l{ extbf {c}}^{*}}$

- вектор обратной решетки.

Экспериментальная установка

Типичный объектив LEEM / LEED и диаграмма лучей.

Типичная установка LEEM состоит из электронная пушка, используется для генерации электронов посредством термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии из наконечника источника. При термоэлектронной эмиссии электроны покидают наконечник источника (обычно сделанный из LaB₆) 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 небольшой точки, так 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 управления 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 разрешением 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 (в свою очередь пространственно разделяя оптику для каждого). 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 матрицы 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 с увеличением 2/3 позади образца. 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 объектива 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 в боковом направлении и будет перехватывать падающий луч для больших смещений. 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 туда контрастной апертуры. Эта диафрагма 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 или экран изображения используются для отображения интенсивности электронов, чтобы мы могли ее видеть. Это можно сделать разными способами, в том числе с помощью фосфоресцентных экранов, фотопластинок, ПЗС-матриц и других.

Специализированные методы визуализации

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 субмонослою палладий пленка (темный контраст), выращенная на поверхности (110) вольфрам кристалл (яркий контраст). Едва заметные острова карбиды вольфрама из-за загрязнения углеродом. Диаметр визуализируемой области 10 микрометры.

Дифракция электронов низких энергий (ДМЭ)

Основная статья: Дифракция электронов низких энергий

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. формируется в задней фокальной плоскости линзы объектива, отображается в плоскости объекта проекционной линзы (с использованием промежуточной линзы), а окончательный рисунок появляется на фосфоресцентном экране, фотографической пластине или ПЗС.

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 поэтому отображаются с постоянным размером K-пространства независимо от энергии падающих электронов.

Микродифракция

Микродифракция концептуально аналогична LEED. Однако, в отличие от эксперимента LEED, где площадь поверхности пробы составляет несколько квадратных миллиметров, источник света и апертура луча вставляются на траекторию луча при визуализации поверхности и, таким образом, уменьшаются размеры площади поверхности образца. Выбранная площадь составляет от долей квадратного микрометра до квадратных микрометров. Если поверхность неоднородна, дифракционная картина, полученная в ходе 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 расположения. (слева) Микрофотография LEEM в светлом поле образцов двухслойного, трехслойного и четырехслойного интеркалированного графена. (справа) Изображения той же области в темном поле. Хорошо видны области переменного контраста, указывающие на области разного порядка наложения. Адаптирован из ^[3]

Изображение светлого поля

Визуализация в светлом поле использует зеркальный, отраженный (0,0) луч для формирования изображения. Визуализация в светлом поле, также известная как формирование изображения с фазовым или интерференционным контрастом, в особенности использует волновую природу электрона для создания вертикального дифракционного контраста, делая ступени на поверхности видимыми.

Визуализация темного поля

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

Как (микро) дифракция, так и формирование изображений в светлом и темном поле могут быть выполнены в зависимости от энергии приземления электронов, 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, позволяющий идентифицировать различные структуры поверхности.

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

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

Фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM)

Основная статья: фотоэмиссионная электронная микроскопия

В фотоэмиссионной электронной микроскопии (PEEM) под воздействием 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 в этой технике было сделано много успехов, наиболее важным из которых стало сочетание PEEM и синхротронный источник света, обеспечивающий 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 LEEM, PEEM и ARPES данные одного образца в одном приборе.

Зеркальная электронная микроскопия (ЗЭМ)

В зеркальной электронной микроскопии электроны замедляются в замедляющем 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 происходило никаких событий рассеяния, и, следовательно, интенсивность отраженного излучения высока.

Отражательная контрастная визуализация

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 (СПЛИМ)

SPLEEM использует спин-поляризованный электроны освещения для изображения магнитной структуры поверхности посредством спин-спиновая связь падающих электронов с поверхностью.

Другой

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.
• эВ-ТЕМ: Просвечивающая электронная микроскопия при энергиях LEEM.

Рекомендации

1. Бауэр, Э (1994). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия». Отчеты о достижениях физики. 57 (9): 895–938. Bibcode:1994РПФ ... 57..895Б. Дои:10.1088/0034-4885/57/9/002. ISSN  0034-4885.
2. Франц, Торстен; фон Бон, Бернхард; Маркетто, Хелдер; Боркенхаген, Бенджамин; Лилиенкамп, Герхард; Даум, Винфрид; Имбиль, Рональд (2019). «Каталитическое окисление CO на Pt под давлением, близким к атмосферному: исследование NAP-LEEM». Ультрамикроскопия. Elsevier BV. 200: 73–78. Дои:10.1016 / j.ultramic.2019.02.024. ISSN  0304-3991. PMID  30836286.
3. de Jong, T. A .; Красовский, Э. Э .; Ott, C .; Tromp, R.M .; van der Molen, S.J .; Джобст, Дж. (2018-10-31). «Собственные стэкинг-домены в графене на карбиде кремния: путь для интеркаляции». Материалы физического обзора. Американское физическое общество (APS). 2 (10). Дои:10.1103 / Physrevmaterials.2.104005. ISSN  2475-9953.
4. Тромп, Рудольф (2019). «Спектроскопия с помощью электронного микроскопа низких энергий». В Хоуксе, Питер У .; Спенс, Джон К. Х. (ред.). Справочник Springer по микроскопии. Справочники Springer. Издательство Springer International. С. 576–581. Дои:10.1007/978-3-030-00069-1_11. ISBN  978-3-030-00069-1.
5. де ла Баррера, Серджио К .; Линь Юй-Чуань; Айхфельд, 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 колебаний низкоэнергетической отражательной способности электронов». Журнал Vacuum Science & Technology B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления. Американское вакуумное общество. 34 (4): 04J106. Дои: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». Физика Статус Solidi B. Вайли. 255 (12): 1800191. Дои:10.1002 / pssb.201800191.

• Бауэр, Эрнст (1998). «Основы LEEM». Обзор и письма Surface. 5 (6): 1275–1286. Bibcode:1998SRL ..... 5.1275B. Дои:10.1142 / S0218625X98001614.
• Бауэр, Эрнст (1994). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия». Rep. Prog. Phys. 57 (9): 895–938. Bibcode:1994РПФ ... 57..895Б. Дои:10.1088/0034-4885/57/9/002.
• Тромп, Р. М. (2000). «Низкоэнергетическая электронная микроскопия» (PDF). IBM J. Res. Dev. 44 (4): 503–516. Дои:10.1147 / rd.444.0503.
• Андерс, С .; Падмор, Ховард А .; 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:1999НИИ ... 70.3973А. Дои:10.1063/1.1150023. Архивировано из оригинал на 2013-02-23. Получено 2020-03-19.