MICROSCOPIA ELETTRONICA

 

 

Il limite invalicabile del potere risolutivo del microscopio ottico è legato sostanzialmente alla lunghezza d’onda della luce impiegata. Il potere risolutivo cresce proporzionalmente al decrescere della lunghezza d’onda della radiazione impiegata, infatti la scoperta che gli elettroni hanno una radiazione di bassissima  lunghezza d’onda ha suggerito la possibilità di usare fasci di elettroni per ottenere poteri risolutivi assai elevati.

In linea di principio un microscopio elettronico opera come un normale microscopio ottico qualora si usasse luce con lunghezza d’onda bassissima. Poiché però i normali dispositivi ottici non deviano gli elettroni, si ricorre a lenti elettrostatiche o a lenti magnetiche che, agendo sulla carica elettrica degli elettroni, ne provocano la deviazione. Il microscopio elettronico è essenzialmente composto da una sorgente elettronica di conveniente intensità ( generalmente un filamento incandescente che emette elettroni per effetto termoelettronico ) e da un dispositivo che imprime forti accelerazioni al fascio di elettroni emesso, sottoponendoli ad una elevata tensione in un range che và da 20 a 100 mila volt. Il fascio di elettroni accelerato attraversa un condensatore ( elettrostatico o magnetico ), incide sul campione, viene raccolto su un obbiettivo ( elettrostatico o magnetico ) e passando attraverso un oculare va ad incidere, o su uno schermo fluorescente o su una lastra fotografica formando l’immagine per l’osservazione visiva. Naturalmente quanto descritto avviene nel vuoto ultra spinto assicurato da un sistema di pompe.

In queste condizioni, la lunghezza d’onda degli elettroni va da 0.1 a 0.005 Å (1 angström = 10-10 metri ) in modo da risultare alcune decine di migliaia di volte più piccola della luce visibile.

Pur non raggiungendo i limiti teorici, il microscopio elettronico fornisce fino a 150.000 – 200.000 ingrandimenti,  con un potere risolutivo dell’ordine del milionesimo di millimetro ( millimicron ).

Il microscopio elettronico a scansione, indicato con la sigla SEM (Scansion Electron Microscope), fornisce informazioni sull’aspetto, sulla natura e sulle proprietà di superfici e degli strati sottostanti di campioni solitamente solidi, con risoluzione media di 2¸5 nanometri (riferita al segnale “generato” dagli elettroni secondari).

 

 

Per ottenere un’immagine al microscopio elettronico, la superficie di un campione solido è percorsa lungo un tracciato a reticolo con un fascio elettronico finemente focalizzato. Un tracciato a reticolo è una forma di scansione simile a quella usata nei tubi a raggi catodici, in cui un raggio elettronico è fatto scorrere sulla superficie lungo una linea retta orizzontale, riportato alla posizione precedente e traslata verticalmente di un incremento fisso: questo processo è ripetuto finché non è stata indagata tutta l’area prescelta della superficie.

Quando una superficie è “investita” da elettroni ad elevata energia sono prodotti diversi tipi di  segnali, alla base della microscopia elettronica a scansione sono principalmente due i segnali che interessano: gli elettroni secondari e quelli retroddifusi (backscatterati).

Gli elettroni secondari, o segnale SE (Secondary Electron), sono definiti convenzionalmente come gli elettroni uscenti dal campione con energia minore o uguale a 50 eV. Essi provengono da una profondità di pochi nm (nanometri) e scaturiscono dal fascio primario e dall’interazione degli elettroni retrodiffusi con gli elettroni di valenza (del campione). Gli SE forniscono informazioni sulla topografia delle superfici e sulla presenza e distribuzione di campi magnetici o elettrici; per rilevarli si fa uso di uno scintillatore/fototubo preceduto da uno stadio acceleratore. L’immagine fornita da tali elettroni appare in rilievo, come se l’osservatore fosse allo stesso livello del diaframma interno e guardasse l’oggetto illuminato da un’ipotetica sorgente situata in corrispondenza del rilevatore.

Gli elettroni retrodiffusi, o segnale BSE (Back-Scattered Electron), sono elettroni di energia maggiore di 50 eV che derivano principalmente dalle interazioni (singole a grande angolo o multiple, elastiche e non) del fascio primario con i nuclei degli atomi del campione. Gli BSE forniscono informazioni riguardo al numero atomico medio della zona di provenienza (circa qualche μm), alla topografia e alla struttura cristallina del campione.

I prodotti dell’interazione vengono raccolti da opportuni rivelatori ed i segnali ottenuti, vengono inviati a modulare l’intensità del fascio del tubo a raggi catodici. Il movimento di scansione della sonda e del pennello elettronico del tubo è controllato unicamente da un generatore, che ad ogni posizione della sonda sul preparato ne fa corrispondere una definita del pennello sullo schermo del tubo, la cui luminosa dipende quindi dall’intensità del segnale raccolto.

Gli elementi costituenti l’immagine finale prendono il nome di punti immagine o pixels (0.01 mm2). L’ingrandimento ottenuto con un tale sistema ottico, è dato dal rapporto fra la larghezza dello schermo del tubo a raggi catodici e la lunghezza del corrispondente tratto percorso dalla sonda sulla superficie del campione. Il limite alla risoluzione (minima distanza alla quale due punti rimangono distinti) del SEM è dovuto alle dimensioni del diametro geometrico della sonda, migliorabile (a parità di intensità di corrente del fascio, che determina il contrasto) mediante l’uso di sorgenti di alta brillanza e/o grandi angoli di apertura del cono di elettroni convergenti sulla superficie.

Il sistema ottico dello strumento è costituito da due lenti magnetiche: lente condensatrice e lente obiettivo. Le prime (costituite da una o più lenti) servono per il controllo del fascio elettronico che raggiunge l’obiettivo; le seconde determinano il fascio di elettroni incidente sulla superficie del campione.

La scansione è eseguita per mezzo di due coppie di bobine elettromagnetiche poste internamente alle lenti dell’obiettivo, queste muovono il pennello elettronico sulle coordinate cartesiane X e Y della superficie del campione tramite il segnale elettrico inviatogli. Tali segnali possono essere sia analogici che digitali; questi ultimi hanno il vantaggio di consentire un migliore movimento ed un eccellente posizionamento del fascio elettronico.

La progettazione delle camere porta campioni è realizzata in modo da facilitare lo scambio dei campioni facendo variare di poco la pressione da quella ambientale a quella di esercizio. Il porta campioni inoltre può variare nelle direzioni X, Y e Z, ruotando intorno ad essi, per esaminare il campione in ogni punto.

Per i campioni conduttori di elettricità lo studio si presenta più facile, poiché il flusso di elettroni a terra non è ostacolato riducendo al  minimo gli inconvenienti dovuti all’accumulo di cariche. Inoltre essendo dei buoni conduttori di calore, la degradazione termica è minima.

La tecnica più diffusa,.per ottenere immagini SEM da campioni non conduttori, consiste nel rivestire la superficie del campione di un sottile film metallico prodotto per  sputtering o per evaporazione sotto vuoto. Risulta altresì più semplice rivestire la superficie del campione di un sottile strato di grafite.

Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) è simile al SEM, in quanto entrambi impiegano un fascio di elettroni diretto sul campione. Questo significa che molte componenti come il cannone elettronico, le lenti condensatrici e il sistema di vuoto sono simili in entrambi gli strumenti. Tuttavia, i metodi con i quali queste immagini vengono prodotte ed ingrandite sono completamente differenti; mentre il SEM è principalmente utilizzato per lo studio delle superfici, il TEM fornisce informazioni circa la struttura interna del campione analizzato.

Il fascio elettronico è prodotto nel TEM, come nel SEM, da un filamento di tungsteno riscaldato, situato nella parte alta della colonna sotto vuoto; tale fascio viene accelerato verso il basso della colonna tramite alto voltaggio (75¸120 KV). Anche qui il fascio elettronico è condensato da lenti elettromagnetiche per attraversare una sezione del campione opportunamente assottigliata (100 nm o anche meno). Lo spessore del campione deve essere sufficientemente sottile in modo da consentire che alcuni degli elettroni incidenti siano in grado di attraversarlo; durante tale attraversamento molti elettroni sono assorbiti ed altri, in corrispondenza a disuniformità di arrangiamento atomico del cristallo, sono deviati irregolarmente. Dopo che il fascio ha attraversato il campione, viene focalizzato da una lente “obiettivo” e quindi allargato e proiettato su uno schermo fluorescente. Le zone dello schermo che appaiono scure sono dovute appunto ad un’irregolare deviazione degli elettroni da parte delle dislocazioni della struttura cristallina del campione .

 

 

La formazione dell’immagine dipende dalla diffrazione degli elettroni, che com’è noto hanno la doppia identità onda-particella. La lunghezza d’onda l è legata alla E (e quindi al V) della radiazione dalla relazione di de Broglie:

l = h / Ö (2mE)

E= eV

l = 2d× sen(j )

dove h = 6.6256× 10-34 (costante di Plank)

m = massa della particella associata alla radiazione incidente

E = energia della radiazione incidente

V = differenza di potenziale a cui accelero il fascio incidente

d = distanza interplanare

j = come da figura

 

 

Schema di funzionamento del TEM e geometria con cui il fascio incide sui piani di atomi

 

 

Quando il fascio incide sul campione, una parte degli elettroni del medesimo viene diffratta, deviando dalla direzione del fascio trasmesso, mentre la restante passa attraverso il provino indisturbata; sia il fascio trasmesso che quello diffratto passano attraverso una lente obiettivo che ha il compito di focalizzarli sul piano I1, gli elettroni diffratti si incrociano nel punto b sul piano I1, e vanno a formare l’immagine oltre il piano I2; gli elettroni trasmessi si incrociano in a sul piano I1 e formeranno l’immagine oltre il piano I2. Quindi sullo schermo, posto a I2, il fascio degli elettroni diffratti si sovrappone esattamente al fascio di quelli trasmessi, contribuendo, con diverso contrasto, all’immagine.

Il discorso fatto assume l’ipotesi semplificativa che esista un unico piano che diffrange gli elettroni: allora esiste un unico punto b di diffrazione; è abbastanza ovvio che in realtà i piani che diffraggono gli elettroni sono invece molti, e quindi non si otterrà un unico punto di diffrazione, ma una matrice di "spot" di diffrazione, con al centro il punto a, lo spot del fascio trasmesso. A seconda delle esigenze e a seconda dell’area del fascio che si sceglie (maneggiando un diaframma) di far passare, si possono ottenere una serie di spot di diffrazione o una serie di circonferenze concentriche di diffrazione.

Il T.E.M. è realizzato in modo tale che sia possibile non solo mettere a fuoco l’immagine ingrandita su I2, ma anche gli spot di diffrazione su I1.

Utilizzando il microscopio, l’operatore può decidere di utilizzare il fascio diretto o quello diffratto, mediante un diaframma, per formare l’immagine sullo schermo; la riproduzione dell’immagine sullo schermo è dovuta a fenomeni di contrasto. Il termine contrasto si riferisce alle differenze di intensità che rendono distinguibili dallo sfondo le parti di un’immagine, e lo si può definire come:

 

( I-B ) / B = Contrasto

dove: I = intensità locale (luminosità)

B = intensità dello sfondo

 

Il contrasto di diffrazione è dovuto all’uso del diaframma che permette il passaggio dei soli elettroni deviati secondo un certo angolo; questo significa che qualunque cosa crei delle alterazioni negli angoli del reticolo (presenza di dislocazioni, precipitati, inclusioni, difetti di vario genere) altera la diffrazione degli elettroni e crea fenomeni di contrasto che permettono di individuare la causa che ha creato la diffrazione sullo schermo.

Dato che in assenza del provino l’immagine appare chiara, e che le imperfezioni reticolari (o i precipitati) che deformano il reticolo creano contrasti scuri, il modo di visualizzazione che usa il fascio diffratto si dice "campo chiaro" (BF = Bright Field).

Analogamente si può posizionare il diaframma selezionando il passaggio del solo fascio diretto; analogamente a quanto visto sopra, ogni cosa che crei nel reticolo distorsioni altera le condizioni di diffrazione del fascio, creando quei fenomeni di contrasto che permettono di vedere l’immagine sullo schermo. Questa volta in assenza del campione l’immagine appare scura e il contrasto provocato dal campione è chiaro; questa modalità di visualizzazione si dice "campo scuro" (DF = Dark Field).

Dal momento che saranno oggetto di diffrazione solo gli elementi che si trovano a dati angoli col fascio incidente, il portacampioni del T.E.M. è realizzato in modo tale da poter ruotare in ogni senso il campione, in modo da trovare le diffrazioni (e quindi i contrasti) che più ci interessano, inclinando in modo opportuno il campione rispetto al fascio.

Un importante uso del T.E.M. si ha in ambito cristallografico, nel senso che misurando le distanze e gli angoli tra gli spot degli spettri di diffrazione è possibile risalire al tipo di struttura cristallografica con cui si ha a che fare.Per fare questo è necessario analizzare un particolare spettro di spots di diffrazione, quello ottenuto quando il fascio incidente risulti parallelo ad un asse di riferimento della cella del campione.Nello spettro di diffrazione appariranno gli spots relativi ai piani paralleli alla direzione del fascio; ad esempio, se il fascio incide sul campione con una direzione parallela alla direzione <1 0 0>, lo spettro metterà in luce gli spots relativi ai piani paralleli alla direzione <1 0 0>, e cioè i piani {0 0 1}, {0 1 1}, {0 1 0}.

 

 

Spot di diffrazione relativo ad un fascio incidente parallelo a [1 0 0] in cristallo cubico, il segmento L 011 (per esempio) è perpendicolare al piano (011) ed è proporzionale alla spaziatura tra due piani dello stesso tipo.

 

I segmenti che collegano i punti degli spots relativi al fascio trasmesso e al fascio diffratto di un particolare piano, ad esempio lo (0 1 1), sono perpendicolari al piano medesimo, e il loro modulo è proporzionale alla distanza interplanare d tra piani della stessa famiglia (con medesimo indice di Miller). Il problema è di risalire a d.

 

Geometria della diffrazione del fascio nella camera del TEM

 

Riferendoci alla geometria della camera di diffrazione del T.E.M., e tenendo presente che quando il fascio incidente colpisce il campione la parte diffratta devia di un angolo 2j secondo la legge di Bragg, tenendo presente che l’angolo di diffrazione è molto piccolo, possiamo esplicitare d

l = 2d× sen(j )

R / L = tg (2j ) » 2j » (l / d)

d = l L / R

 

Il prodotto lL si dice costante di camera dello strumento, e si misura utilizzando un campione con distanze interplanari dhkl note. Una volta valutata la costante di camera, misurato R (in [mm]) dallo spettro degli spots di diffrazione, possiamo calcolare d.