Folien - 02.04.2015
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Dicke des Films 200 nm Bild ist immer eine Projektion !!! Dickenkontrast Hellfeldabbildung Dunkelfeldabbildung Moire - Muster - Kann entstehen durch den Überlapp zweier Kristalle in Strahlrichtung - Kann auch entstehen, wenn die beiden Kristalle keinen Kontakt zueinander haben Kann benutzt werden um Informationen über Versetzungen zu erhalten TEM DF Bilder benutzen nur wenige gestreute Elektronen Massen-Kontrast Bilder haben eine höhere Auflösung und ein besseres Signal –Rausch Verhalten Scanning TEM STEM sammelt die meisten gestreuten Elektronen geringeres Rauschen Verwendet keine Linsen zur weiteren Bilderzeugung keine Linsenfehlereinflüsse Bessere Auflösung bei dickeren Proben Chromatische Aberration hat keinen Einfluss FIGURE 22.9. Comparison of TEM (A) and STEM (B) images of an amorphous SiO2 specimen containing Cl-rich bubbles. The low mass contrast in the TEM can be enhanced in a STEM image through signal processing. (C) A similar effect can be achieved by digitizing the TEM image (A) and applying contrast-enhancement software. High Resolution TEM Kann man Atome sehen? Jein • Um Gitterebenen zu sehen muss eine große Objektivblende gewählt werden (Abbe) • Probe muss sehr dünn und kristallin sein • in Folge der extrem dünnen Proben kaum Amplitudenkontraste Muss entlang der Zonenachse orientiert sein • • In kristallinen Objekten erfährt die Elektronenwelle Phasenänderungen • Voraussetzung für die hochauflösende Abbildung des Gitters ist die kohärente Interferenz von Elektronenwellen. Contrast Transfer Function Kontraständerung für unterschiedliche Fokuswerte → Bildinterpretation schwierig bis unmöglich Vorgehensweise: Aufnahme von typischerweise 10-20 Bildern mit unterschiedlichem Fokus (Defokus-Serien) → Bildsimulationen und/oder Rekonstruktion der Phase durch geeignete Algorithmen → erst danach ist eine sichere Bildinterpretation möglich!! Gitterabbildung von Al entlang der [011]-Richtung. Der Kontrast hängt vom gewählten Fokus ab. • Die sphärische Aberration erzeugt Abbildungsartefakte (fehlende Frequenzen oder Kontrastumkehr). • Dämpfung durch chromatische Aberration & inkohärente Beleuchtung. → Delokalisierung von Informationen. Gitterabbildung eines Pb-Nanopartikels entlang der [011]-Richtung mit unterschiedlichen Fokuswerten. Kontraständerung für unterschiedliche Fokusse Bildsimulation: Beispiele Parameter: • Fokus • Foliendicke • Kristallstruktur Typische Algorithmen für die Bildsimulation: EMS (Electron Microscopy Image Simulation) oder JEMS (auf Java-Basis), MacTempas http://cecm.insalyon.fr/CIOLS/crystal1.pl http://www.totalresolution. com/MacTempas.html Simulation für Cu mittels EMS Atom Probe Tomography • 24 Based on Field Ion Microscopy 100µm (Erwin W. Müller 1952 ) – – Magnification 3.000.000 Resolution 0.25 nm • Sample in the shape of a pointed tip • Requires presence of an imaging gas • High voltage applied to tip • Imaging gas atoms ionized above tip and repelled to a fluorescence screen imaging of the tip surface Erwin W. Müller (1911 – 1977) = Stereographische Projektion Feldionisation Freies Atom: Elektronen in einem symmetrischen Potentialtopf Ionisation durch Aufbringen der Ionisationsenergie Inhomogenes Feld in der Nähe der Spitze Potentialtopf wird asymmetrisch verbogen Nah an der Oberfläche Potentialwall schmal hohe Tunnelwahrscheinlichkeit Pauli Verbot Für Ionisation typische Feldstärke notwendig He 44V/nm Ne 35 V/nm Ar 22 V/nm Feldverdampfung Durch Feld wird Bindungspotentiallinie des Ions abgesenkt Desorption erfolgt thermisch aktiviert mit Feldunterstützung K = Verdampfungsrate ν = Vibrationsfrequenz Tomographic Atom Probe – Principle of Operation UB 3-15kV start start signal signal HV Pulser Laser UP ToF, XD, YD T ≈ 50k L = 150mm • field evaporation triggered by short high voltage (or laser) pulses • determination of ToF and impact position by 2D detector •identification: ToF spectroscopy • localization of atoms: point projection m tToF = 2eU q L 2 Evaporation of single atoms • careful control of evaporation rate W(x) 33 electrical field voltage pulse + + 10 kV + x -5 kV Q 5 ns ν evap Q0 − α Etip = ν 0 exp − k (T + ∆T ) requires: ● mechanical stability ● conductivity pulse width: 5 ns specimen: band width: ~1 GHz oscillatory conductivity: 10-2 / circuit (Wcm) U ⋅ positive ion ⇒ covalent, ionic, or organic materials laser pulse C R A 10 kV Reconstruction of APT Data • Calculation of atom x and y origin xD = ϑ' R ⋅ sin κ X D2 + YD2 XD ϑ' κ = ϑ XD trajectory specimen YD • Calculation of Z-Position ϑ z = R1 − cos κ • Radius of Curvature R= U β ⋅E ϑ 2 Ω⋅M dz0 = dN p ⋅ ADetektor R detector ϑ' Reconstruction of APT Data • Calculation of atom x and y origin xD = ϑ' R ⋅ sin κ X D2 + YD2 XD ϑ' κ = ϑ XD trajectory specimen YD • Calculation of Z-Position ϑ z = R1 − cos κ • Radius of Curvature R= U β ⋅E ϑ 2 Ω⋅M dz0 = dN p ⋅ ADetektor R detector ϑ' Atom probe tomography C u Ni Fe W in suitable cases: lattice plane resolution C. Ene, G. Schmitz, … Acta Materialia (2005) 3D-Technik: Volumen ist im Rechner frei drehbar solid state reactions at the nanometer length scale e.g. SRAM structure reactions at internal interfaces ? w • natural width of interfaces Al • heterogeneous nucleation W polySi 200 nm • short circuit transport • influence of curvature Interfaces in nanoscaled structures multilayers: width of interfaces in comparison to periodicity? analysis of complex geometries TEM particles or rough interfaces: curvature radius in comparison to thickness ? nanocrystalline Projection artifacts apparent width 3D-technique required material: volume fraction of GBs and triple junctions? atom probe tomography 38 FIB – APT sample preparation Instrument - TAP • voltage pulsed • HV-Pulser: 100 kHz, 0-4000 Volt, 5ns FWHM • detector: 120 mm diameter / delay line accuracy: spatial: 0.2 mm, temporal: 500 ps • rate of analysis: 106 atoms/h • flight length 150 mm, numerical aperture ± 40° making use of microscopic 3D – information • >100 million atoms layer structure clearly revealed • interface width 0.4 nm • average grain size 20 nm • no pronounced azimuthal texture • bcc lattice structure 41 Tomographic Atom Probe • >100 million atoms • layer structure clearly revealed • interface width 0.4 nm as prepared 600°C – 30 minutes Frontiers of thin film analysis via Atom Probe Tomography Structural changes Isochronal annealing sequence 300°C – 800°C (50°C steps) Increasing temperature 1. No structural change until 450°C 2. > 450°C Volume diffusion of Cr into Fe layer 3. > 750°C Layer structure destroyed 4. No diffusion of Fe into Cr bulk 5. Observation of pipe like structures Bulk concentration Cr in Fe 43 44 Top View Side View 2 nm atomic fraction Fe 2 nm 45 Analysing individual Triple Lines • • • • • Identification of TL by iso-concentration plots Orientation of analysis cylinder Segmenting cylinder Calculating 2D concentration map for each segment Determining concentration of TL in segment 45 APT Example: solar cells Fe Na CIGS-solar-cel Cu(InGa)Se2 20 000 000 In counts Chalcopyrite Structure Site of interest 15000 counts 2mm CIGS 500nm Mo Steel Ga counts [103] FIB lift out 20000 Cu 10000 90 nm Cu In+Ga Se 5000 Se Na Fe 0 0 20 CuSe 40 60 80 100 120 140 Se2 < 1% of all atoms shown ! 160 mass [amu] 46
