Використання ПЕМ для дослідження структурно-фазового стану матеріалів

курсовая работа

3.1 Принцип формування світлопольного зображення

Наступним режимом роботи ПЕМ є метод світлопольного зображення. Даний метод представляє собою звичайний режим роботи ПЕМ, коли спостерігається на екрані мікроскопа зображення обєкта. На рисунку 3.1 наведено для ілюстрації зображення кристалічної структури плівки Al, отримана в режимі світлого поля.

Рисунок 3.1 - Мікрознімок структури плівки Al товщиною 50 нм, отриманий у світлопольному режимі

Колони ПЕМ у більшості випадків виготовляють трьохлінзовими, для яких характерна наявність обєктива, проміжної та проективної лінз. На рис. 1.1 приведено хід променів у колоні мікроскопа із трьохступеневим збільшенням. Для проміжної лінзи предметною площиною виступає площина зображення обєктивної лінзи. Для проективної лінзи предметною площиною виступає площина зображення проміжної лінзи. Використання трьохлінзових колон дає можливість досягти збільшення до 105-106 крат.

При роботі у цьому режимі, зображення формується завдяки пройшовшому пучку електронів, коли апертурна діафрагма відтинає дифраговані пучки. У мікроскопі задіюються всі лінзи колони, введені освітлювальна та апертурні діафрагми. При роботі в цьому режимі можна розпізнати сходинку в угільній плівці товщиною 7нм [5].

Зразок орієнтується таким чином, щоб відбиття вищих порядків систематичного ряду суворо задовольняли умови дифракції. Зображення формується проходячим пучком. Оскільки інтенсивність фону дуже велика, фокусування проводиться досить легко, а час експозиції незначний, що зводе до мінімуму ризик втрати роздільної здатності із-за механічної чи якоїсь іншої нестійкості приладу [4].

Рисунок 3.2 - До пояснення світлопольного режиму [8]

Яскравість зображення регулюється другим конденсором та струмом пучка. Фокусування зображення здійснюється обєктивом. Збільшення регулюється проміжною лінзою [8].

3.2 Результати експериментальних досліджень

У статті В.А. Богуша «Струкурные свойства химически осажденных тонких пленок серебра с вольфрамом» описується про дослідження осадження тонких плівок срібла з вольфрамом за допомогою ПЕМ.

Дослідження, проведені методами просвітчуючої електронної мікроскопії, мають лише якісний характер і не дозволяють кількісно охарактеризувати сполуку плівок через невисоку чутливість методу. Були розглянуті кінетика осадження, структурні й електричні властивості тонких плівок срібла з вольфрамом у діапазоні товщиною від 30 до 200 нм.

Осадження було проведено на поверхню активованого паладієм полірованого оксиду кремнію хімічним відновленням з водяних розчинів. Обговорюється вплив вольфраму на механізм формування осадів. Показано, що срібні плівки, що містять 0,4-0,6 % вольфраму, мають підвищену електричну провідність і корозійну стійкість, що пояснюється більш щільною структурою осадів внаслідок сегрегації вольфрам на межах зерен. Обговорюється можливе застосування розроблених методик для формування провідних і захисних шарів у виробах електронної техніки й мікроелектроніці.

При дослідженні елементної сполуки плівок було встановлено, що осади складаються в основному зі срібла з невеликим змістом вольфраму й кисню. Присутність на спектрі плівки піків міді обумовлено наявністю мідної решітки, що виконує функцію тримача зразка 50 нм плівки Ag(W), відділеної від підкладки.

Детальні дослідження мікроструктури плівок були проведені методами просвітчастої електронної мікроскопії. Плівки мають полікристалічну структуру з розміром зерна порядку товщини плівки, що є характерним для тонких металевих плівок. Після вакуумного відпалювання спостерігається ріст зерен в 1,5-2 рази.

Аналіз елементної сполуки зерен і границь зерен плівки срібла з вольфрамом (рис. 3.3) показав, що зерно складається зі срібла, має кристалічну структуру, характерну для срібла (111) кубічної модифікації, і не містить домішок.

З обліком наявних на сучасний момент даних, що ні вольфрам, ні його сполуки з киснем не розчиняються в кристалічній решітці срібла, отримані оксиди повинні мати багатофазну структуру. У той же час слід зазначити, що окремої фази, що включає вольфрам, у плівці виявлено не було. Установлено, що концентрація вольфраму на границі зерна набагато вище, ніж у плівці в цілому[13].

Рисунок 3.3 - Результати аналізу структури тонкої плівки Ag(W) методом просвітчастої мікроскопії [13]

Отримані результати дозволяють припустити, що включення вольфраму до складу срібної плівки відбувається за рахунок сегрегації декількох монослоїв, що містять повязаний з киснем вольфрам різного ступеня окислювання, на границях зерен. Така сегрегація лімітує ріст зерен у процесі осадження плівки, що приводить до зменшеного розміру зерна в порівнянні із чистої срібної.

Плівки срібла мають полікристалічну структуру, що характеризується підвищеною концентрацією окисленого вольфраму на границях зерен. Установлено, що срібні плівки, що містять 0,4-0,6 % вольфраму, мають високу електричну провідність і корозійну стійкість. Отримані характеристики дозволяють використовувати тонкі плівки срібла з вольфрамом як провідні покриття для міжелементної металізації, так і в якості захисних і буферних покриттів у технології мікроелектроніки [13].

Однією із статей в якій проводиться дослідження електронної структури продуктів карбонізації толуілендиізоціанату у матриці Al2O3 є стаття В.О.Димарчука, В.М. Огенка, О.В. Набоки та інших.

Вуглецевмісні пористі матеріали знаходять широке застосування сьогодні, насамперед, як каталізатори та високоефективні сорбенти. Особливо цінним може бути їх використання у мембранних системах для розділення газів та фільтрації розчинів. Структура та морфологія вуглецевих наноматеріалів залежить також від просторової орієнтації полімерних ланцюжків. Вибір матриць з різною формою структурних пустот дає можливість синтезу вуглецевих наноструктур різної морфології та анізотропії.

У статті представлено результати дослідження електронної структури пористих матеріалів, отриманих карбонізацією толуілендиізоціанату (ТДІ) в матриці Al2O3. Показано, що продукти карбонізації ТДІ мають форму дрібних сферичних кластерів розміром близько 10 нм і проявляють сильний звязок із матрицею.

Для отримання вуглецевмісного композита ми використовувався високодисперсний Al2O3. Отримані зразки після карбонізації мали чорне забарвлення з характерним металічним блиском на поверхні, тоді як обємна частина зразків лишалася неблискучою. Подібна відмінність у зовнішньому вигляді вірогідно зумовлюється різною структурою поверхневої та обємної частини зразка. Під час процесу карбонізації поверхня та обєм були не в однакових умовах (температура, концентрація прекурсора та ін.), що привело до утворення різних форм вуглецю.

Перед дослідженням електронної структури новоутворений вуглецевмісний матеріал вивчався за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа (ПЕМ 125К). На рис. 3.4а представлено мікрофотографію зовнішнього вигляду отриманого композита. З мікрофотографії видно, що композит складається зі звязаних між собою сферичних частинок за розміром близьких до 10 нм. На рис. 3.4b показано вигляд синтезованих у порах композита вуглецевмісних структур. Морфологія нановуглецю закладається ще під час формування гелю. ТДІ вступає у реакцію з ОН-групами та молекулами води, які розміщуються на поверхні оксиду алюмінію, як наслідок утворюються хімічно звязані з поверхнею дисперсійних частинок уретани та ариленсечовини. Під час карбонізації цих сполук у матриці AlO утворюється вуглецевмісний композит [14].

Рисунок 3.4 - Мікрофотографія зовнішнього вигляду композита (а) та ПЕМ-зображення синтезованих вуглецевмісних структур (б) [14]

Однією із статей в якій проводиться дослідження мікроструктурних характеристик металевих зразків є стаття О. І. Рогачової, С. М. Григорова, О. Г. Федорова, О. С. Водоріза, С. І. Ольховської. Тут розглянуто приготування, дослідження структури та властивостей тонких плівок PbTe, легованого натрієм.

Кристали телуриду свинцю добре відомі як перспективні матеріали для використання у термоелектричних перетворювачах енергії, оптоелектроніці та інших галузях науки і техніки. Розвиток нанотехнологій привертає увагу до розробки методів одержання низькорозмірних структур на основі PbTe та керування їх властивостями. Модифікація властивостей напівпровідників зазвичай здійснюється шляхом введення домішок. Однією з основних акцепторних домішок у PbTe є натрій, введення якого у кристали PbTe дозволяє досягати високих (до ~ 1020 см-3) концентрацій дірок. Виникає питання про можливості реалізації високих рівнів легування телуриду свинцю натрієм у тонкоплівковому стані [15].

Метою роботи є дослідження механізму росту, структури і кінетичних властивостей плівок PbTe<Na>, вирощених методом термічного випаровування у вакуумі на підкладках (100)KCl, і порівняння одержаних результатів з результатами для плівок нелегованого PbTe, вирощених в аналогічних умовах.

Електронно-мікроскопічне дослідження показало, що плівки PbTe, ефективна товщина яких складала 9-11 нм, були неперервними, але містили достатньо велику кількість пустот у вигляді огранованих пір і каналів (рис. 3.5(а)). Плівки, товщиною більше ~70 нм, були практично суцільними, хоча навіть в плівках завтовшки 140 нм ще можна було спостерігати окремі пустоти (рис. 3.5(б)). Основним типом дефектів були дислокації, перпендикулярні поверхні плівки (у тонких плівках з товщиною < 50 нм) або нахилені відносно поверхні плівки (при більших товщинах)[15].

Рисунок 3.5 - Електронно-мікроскопічні знімки плівок PbTe різної товщини [15]:

а - d = 11 нм; б - d = 137 нм

Плівки PbTe, леговані натрієм, на поверхні відколу (001)KСl за температури підкладки Тп = 520 ± 10 К мають структуру, характерну для механізму росту “пара-кристал без коалесценції”. Принципова відмінність структури плівок PbTe, легованих натрієм, від нелегованих плівок полягає у тому, що вони стають суцільними раніше (при меншій товщині). Це проілюстровано електронно-мікроскопічними знімками, представленими на рис. 3.6. У плівці завтовшки 10 нм

Рисунок 3.6 - Електронно-мікроскопічні знімки плівок PbTe, легованого натрієм, різної товщини [15]: а - d= 10 нм; б - d = 25 нм в - d>40 нм

(рис. 3.6а) спостерігаються тільки пори різноманітних форм і розмірів, але практично відсутні протяжні канали. У плівці завтовшки 25 нм (рис. 3.6б) присутні тільки дуже дрібні пори розміром ~10 нм. На муаровій картині обертання у верхній частині знімка на рис. 3.6б, одержаної в результаті накладення плівок PbTe з малим кутом повороту щодо осі, перпендикулярної площині плівки, добре видно (стрілка А), що при заростанні пір утворюються дислокації, перпендикулярні поверхні плівки. Вони виникають в результаті взаємних зрушень початкових кристалічних зародкових частинок на поверхні підкладки. Плівки товщиною ? 40 нм вже пор не містять[15].

Делись добром ;)