Parte III. Microscopia Elettronica a ScansioneMicroscopia Elettronica a scansione e distribuzione granulometrica

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Il Microscopio Elettronico a

Scansione

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Cosa è la Microscopia Elettronica

Tecnica

che

permette

l’osservazione di campioni con

ingrandimenti e risoluzione

1000 volte superiore alla

microscopia ottica ordinaria

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Alcuni cenni storici

• 1897: J. Thomson scopre l’elettrone

• 1924: L. de Broglie propone la teoria ondulatoria della materia

• 1926: H. Busch dimostra che i campi elettrici e magnetici a simmetria assiale si comportano come lenti per gli elettroni

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Alcuni cenni storici

• 1934: E. Ruska primo prototipo di TEM

• 1938: von Ardenne primo prototipo STEM

• 1942 Zworykin realizza il primo prottipo di SEM capace di analizzare campioni massivi.

• 1960 Everhart e Thornley introducono il loro rivelatore per elettroni secondari, basato su scintillatore e tubo fotomoltiplicatore

• 1965: Cambridge Instruments produce e commercializza il primo SEM

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IL SEM

• Il Microscopio Elettronico a Scansione sfrutta la generazione di un fascio elettronico ad alta energia nel vuoto.

• Il fascio viene focalizzato da un sistema di lenti e deflesso per scandire una area del campione

• L’interazione fascio-campione genera vari segnali che vengono acquisiti da opportuni detectors e successivamente elaborati fino a formare una immagine a livelli di grigio

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I pregi del SEM

Da indicazioni su:

• morfologia della superficie del campione • composizione chimico fisica

• Difettosità elettriche

• Contaminazione delle superfici • Misura dei potenziali superficiali

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I pregi del SEM (2)

• Alta risoluzione (limite 2nm)

• Alti ingrandimenti (fino a 100.000 X) • Alta profondità di campo

• Facile preparazione del campione

La combinazione di alti ingrandimenti, alta risoluzione, larga ampiezza del fuoco e facile preparazione e osservazione del campione rende il SEM uno degli strumenti più affidabili e più semplici da utilizzare per lo studio e la diagnostica delle difettosità nei componenti elettronici.

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Confronto tra microscopie

MO SEM TEM Range di ingrandimento 1-1000 10-10000 1000-1000000 Risoluzione Ordinaria 5mm 0,1mm 5nm

Per osservazioni accurate 0,2mm 20nm 1nm

Limite 0,1mm 1nm 0,2nm

Profondità di campo 0,1mm a 10x 10mm a 10x limitata allo spessore del film

1mm a 100x 1mm a 100x limitata allo spessore del film

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Critical Point Dryer & sputter coaters

Il SEM del LIMINA

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Huvec

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Parti principali

• La sorgente di illuminazione: il cannone elettronico • Il sistema per il vuoto spinto

• Le lenti elettromagnetiche (1 o più a seconda dello strumento)

• Le bobine di deflessione • La lente obiettivo

• I rivelatori di segnale

• Il sistema di trasformazione dei segnali in immagini • La camera porta-campioni

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Sorgente di elettroni (2)

Le sorgenti si dividono in due categorie: 1. Emissione termoionica

2. Emissione di campo

Le sorgenti di emissione termoionica si dividono in • Catodo a filamento di Tungsteno

• Catodo in Esaboruro di Lantanio (LaB6)

La legge di Richardson esprime la densità di corrente emessa per effetto termoionico

)

/

exp(

2

KT

E

AT

J

_c





_w

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Catodo a filamento di Tungsteno

• Filamento ripiegato a forma di V con raggio di curvatura 100mm

• Temperatura di esercizio 2700-3000K • Corrente emessa J_c=1,75 A/cm-2

• Vuoto richiesto 10-3_Pa • Vita media 60-100 ore

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- +

Catodo a filamento di Tungsteno

Circuito di riscaldamento del catodo

Anodo collegato all’alta tensione (fino a 30KV)

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Come si forma il fascio elettronico

• Il filamento viene riscaldato a temperature tali che gli elettroni guadagnano energia sufficiente a superare l’energia di estrazione del materiale (emissione termoionica)

• Gli elettroni vengono attratti verso l’anodo polarizzato con alte tensioni

• Il sistema si comporta come una lente elettrostatica formando una “immagine” del filamento tra il Wehnelt e il catodo

• Le lenti elettromagnetiche riducono via via il diametro iniziale

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Catodo ad esaboruro di lantanio (LaB6)

• Asta di LaB6 di 16mm con sezione di 1mm2 • Temperatura di esercizio 1700-2100K

• Corrente emessa 40-100 A/cm-2

• Vuoto richiesto 10-4_{Pa (necessità di un} ulteriore sistema di vuoto costituito da una pompa ionica)

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Emissione per effetto campo

• Emissione dovuta alla capacità di estrazione di elettroni da un monoblocco di Tungsteno appuntito da parte di campi elettrici intensi

• Raggio di curvatura del cristallo 20-200nm

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Emissione effetto campo:

formazione del fascio

• Il monocristallo di tungsteno è sottoposto all’azione del campo elettrico del primo anodo (circa 3000V)

• Gli elettroni emessi vengono accelerati dal secondo anodo fino a 100KeV

• La lente elettrostatica genera il cross over oltre i due anodi.

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Si è dimostrato che la massima densità di corrente che può essere focalizzata sul campione è:

J_b=4i_b/d₀2

i_b= corrente totale del fascio d₀= diametro del cross–over

Limitazioni:

Aberrazioni delle lenti elettroniche Diaframmi lungo la colonna

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Brillanza (β)

Densità di corrente per unità di angolo solido (A*cm2*sr-1) 2 0 0

)

/(

4









i

_b

d

₀

₀= semiangolo del cono di raggi che convergono per formare il cross-over

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Brillanza (β)

E’ stato dimostrato che la brillanza non può superare il valore

β= J_ceV₀/kT con

J_c e T densità di corrente e temperatura alla superficie del catodo

V₀ differenza di potenziale tra il catodo e il punto dove si forma la sua immagine

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Confronto tra filamenti

Emettitore Vita media (ore) Source size Brillanza a 25KV W (termoionico) 60-100 100mm 1 ACm2_sr-1 LaB6 300-500 5mm 20-50 ACm2sr-1 W (emissione di campo) 300-1000 <100A° 100-1000 ACm2_sr-1

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Lenti elettromagnetiche

• Una lente elettronica è formata da un

nucleo cilindrico di ferro dolce contenente un avvolgimento di spire di ferro.

• Quando viene fatta passare una corrente si genera un campo Elettro-magnetico

parallelo all’asse della lente.

• Il campo, agendo sulla carica elettrica dell’elettrone, “devia” il suo moto.

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Lenti elettromagnetiche

• Poiché il campo magnetico formatosi non garantirebbe in ogni suo punto la stessa intensità e simmetria, viene adattato all’interno della lente un pezzo polare che concentra in un segmento di pochi millimetri l’intensità del campo.

• Il diametro del fascio viene così ridotto

• In questi pezzi polari vengono inseriti dei diaframmi che hanno lo scopo di limitare l’utilizzazione del fascio elettronico alla sua parte centrale.

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Traiettoria del fascio

Il sistema ottico di un SEM può essere schematizzato come costituito da tre lenti: due condensatrici ed una obiettivo, tra esse è posto un diaframma che controlla l’apertura finale.

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Le bobine di deflessione

• Permettono di effettuare una scansione del fascio lungo un area del campione

• Una coppia di bobine deflette il fascio lungo l’asse X, una seconda coppia lungo l’asse y • È sincronizzato con il pennello di un tubo a

raggi catodici (CRT) che fornisce l’immagine finale

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Definizioni importanti: Risoluzione

Risoluzione: la distanza minima tra 2 oggetti per la quale i due oggetti appaiono distinti

In Ottica dipende non solo dalle lenti ma anche dalla lunghezza d’onda della sorgente luminosa.

In microscopia ottica il limite di risoluzione è 200nm per via della lunghezza d’onda della luce visibile che varia tra 0.4mm e 0.7mm

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Risoluzione nel SEM

In microscopia a scansione “la fonte di illuminazione” è data dagli elettroni e la risoluzione dipende da

molteplici fattori legati all’area di generazione del segnale:

• Intensità e larghezza del fascio primario • Aberrazioni delle lenti elettroniche

• Tipologia del segnale generato

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Risoluzione

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Il giusto compromesso

Spot size piccolo

Maggior risoluzione

Minore numero di elettroni generati

Minor rapporto segnale rumore

Immagini rumorose: necessità di filtrarle

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Le aberrazioni

Aberrazione sferica

Elettroni che si muovono a diversa distanza dall’asse vengono

focalizzati in punti diversi

Aberrazione cromatica

Elettroni con diversa energia vengono focalizzati in punti diversi

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Astigmatismo

Varie imperfezioni

(irregolarità di lavorazione nell’avvolgimento delle bobine, disomogeneità nei materiali, contaminazioni) inducono delle asimmetrie nei campi delle lenti. Tuttavia lo strumento e’ dotato di un sistema di bobine di

compensazione che

consentono di minimizzare tale aberrazione.

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Definizioni importanti: Profondità

di campo

Profondità di campo: Intervallo, misurato lungo l’asse ottico (asse z nel microscopio), entro il quale si può spostare il campione senza che la sua immagine appaia fuori fuoco  Dipende dalla apertura angolare delle lenti obbiettivo. Come vedremo, la profondità di campo al SEM è circa 100 volte superiore rispetto al microscopio ottico a parità di ingrandimento

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La divergenza del fascio provoca un allargamento del suo diametro sopra e sotto il punto di fuoco ottimale. In prima approssimazione, a una distanza D/2 dal punto di fuoco il diametro del fascio aumenta di Δr ≈αD/2.

E’ possibile intervenire sulla profondità di campo aumentando la distanza di lavoro e diminuendo il diametro

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Minore e’ l’apertura della lente obiettivo e maggiore e’ la distanza di lavoro WD, maggiore e’ la profondità di fuoco.

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example of nano & microdevices observed by SEM _{Nanospheres for photothermal drug release}

_{PLA & PLGA} _{anticancer drug}

_{gold nanoshells (10 nm)}

_{Microspheres for controlled drug release}

_{Nutraceutics,}_antibiotics_{, corticosteroids, NSAIDs, hormones ….}

_{biopolymer as PLGA 50:50 or 75:25, PLA, PCL, lecitin …} Sustained drug

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Example of nano & microdevices observed by SEM _{Nanospheres for remote controlled drug delivery & magnetic hyperthermia}

_{PLA & PLGA} _{anticancer drug}