Một kính hiển vi quét điện tử (SEM) là một công cụ phát hiện tín hiệu được tạo ra trong quá trình quét tia electron qua bề mặt mẫu để tạo hình ảnh. Các tín hiệu có thể được thu được bằng chiếu tia electron bao gồm electron phụ (SE), electron phản xạ ngược (BSE), tia X đặc trưng và quang phát điện (CL), và vì những tín hiệu này cho phép thực hiện phân tích chi tiết của bề mặt mẫu, SEM được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ phân tích thiết bị bán dẫn đến phát triển vật liệu.
Tuy nhiên, khi quan sát một mẫu không dẫn điện, bề mặt mẫu trở nên điện tích do electron va chạm vào, và các hiện tượng như đối lập không bình thường và trôi hình ảnh xảy ra. Quan sát SEM trong điều kiện chân không thấp đã được phát triển như một phương pháp để tránh hoặc giảm những vấn đề này. Trong SEM chân không thấp, các điện tích dương được tạo ra do va chạm giữa electron vào phân tử khí dư trong buồng hoạt động như một cách để trung hòa điện tích âm trên bề mặt mẫu, giảm thiểu ảnh hưởng của việc điện tích. Vì khó phát hiện electron năng lượng thấp bằng cách quan sát trong phạm vi chân không thấp, Hitachi đã phát triển một bộ dò áp suất cực biến độ (UVD) cho SEM chân không thấp, có thể phát hiện electron phụ trong điều kiện chân không thấp. Ngoài chức năng bộ dò SE, đã được phát triển các ứng dụng sử dụng tính năng của UVD này. Bài viết này mô tả các ví dụ về việc sử dụng UVD để quan sát CL của vật liệu và để quan sát STEM của vật liệu nano và mẫu chất lỏng.
Hình 1(a) Sơ đồ nguyên lý của việc phát hiện tín hiệu UVD. (b) Hình ảnh UVD của vật liệu nhựa carbon củng cố bằng sợi (CFRP).
Vì thông tin như tinh thể hóa và tính chất hóa học của mẫu có thể được thu được bằng cách đo CL, được tạo ra bằng cách chiếu tia electron vào mẫu, nó được sử dụng để phân tích các mẫu như bán dẫn, gốm, khoáng sản và vật liệu phát quang. UVD cũng có khả năng phát hiện thông tin CL. Hình ảnh CL có thể được ghi lại bằng cách sử dụng UVD bằng cách tắt điện áp phản xạ được áp dụng vào mép trước của bộ dò. Kết quả là ánh sáng mang thông tin electron phụ như đã mô tả ở phần trước không còn được phát hiện nữa, và chỉ có tín hiệu CL được tạo ra từ mẫu được phát hiện. Hình 2 cho thấy một ví dụ về việc quan sát các lỗ lệch tinh thể (khuyết điểm) trong nitơ galium (GaN) được sử dụng trong bán dẫn công suất với một hệ thống FE-SEM mô hình SU5000. Khi một cấu trúc GaN được chiếu tia electron, các khu vực có tinh thể tốt tạo ra CL và trở nên sáng, trong khi các khu vực chứa lỗ lệch chủ đề không phát sáng và trở nên tối. Những điểm đen trong Hình 2 tương ứng với các khu vực không phát sáng do sự hiện diện của lỗ lệch, và điều này cho thấy rằng lỗ lệch trong GaN có thể được xác định rõ ràng.
Hình 2: Kết quả quan sát CL cho cấu trúc nitơ galium (GaN) (điện áp gia tốc: 5 kV) (Mẫu được cung cấp nhờ sự giúp đỡ của Giáo sư Đồng nghiệp Yoshio Honda, Trung tâm Nghiên cứu Tích hợp Điện tử Tương lai, Viện Vật liệu và Hệ thống Bền vững, Đại học Nagoya)
Tiếp theo, một ví dụ khác về quan sát CL cho hạt nano titan dioxide (TiO2) được mô tả. Hạt nano TiO2 tồn tại dưới dạng loại rutile và loại anatase, và loại anatase được sử dụng làm xúc tác quang hóa. Vì sự khác biệt giữa chúng chỉ ở cấu trúc tinh thể, việc phân biệt chúng chỉ bằng cách quan sát SEM là khó khăn. Tuy nhiên, cường độ phát quang CL cho anatase cao hơn so với rutile, và có thể phân biệt sự phát quang sáng hơn bằng cách quan sát CL bằng UVD. Hình 3 cho thấy kết quả quan sát một hỗn hợp của hạt nano TiO2 loại rutile và anatase bằng cách sử dụng hệ thống FE-SEM mô hình SU7000. Mặc dù không có sự khác biệt có thể phân biệt được trong hình ảnh SE (a) hoặc BSE (b), trong hình ảnh CL (c) có thể thấy rằng một số hạt nano phát sáng. Hơn nữa, những hạt nano phát sáng có thể được xác định bằng cách chồng hình ảnh CL lên hình ảnh BSE (d). Quan sát CL bằng cách sử dụng UVD cho phép một loạt các ứng dụng đa dạng như quan sát khuyết tật tinh thể trong bán dẫn, quan sát cấu trúc vùng của zircon trong mẫu khoáng, điều tra mẫu alumina tinh khiết cao, hoặc đánh giá vật liệu phát quang.
![Fig. 3 Observation results for titanium dioxide nanoparticles (accelerating voltage: 3 kV) [(a) SE image. (b) BSE image. (c) CL image. (d) Overlay of CL image on BSE image]](https://www.hitachi-hightech.com/image/global/sinews/technical_explanation/130312/index_03.jpg)
Fig. 3 Observation results for titanium dioxide nanoparticles (accelerating voltage: 3 kV) [(a) SE image. (b) BSE image. (c) CL image. (d) Overlay of CL image on BSE image]
Quan sát STEM bằng SEM sử dụng quang học electron của hệ thống SEM như hiện tại và phát hiện electron truyền từ một mẫu màng mỏng đặt trên một lưới TEM. Vì hầu hết các SEM thông thường sử dụng điện áp gia tốc là 30 kV hoặc thấp hơn, nó còn được gọi là STEM ở điện áp thấp, và có nhiều electron phân tán ngay cả trong các mẫu có mật độ thấp, có thể quan sát với độ tương phản cao. Bây giờ, chúng tôi giới thiệu một bộ giữ STEM mới có thể thực hiện quan sát STEM trường sáng bằng cách sử dụng UVD.
Hình 4 cho thấy một sơ đồ nguyên lý của bộ giữ STEM mới. Trong bộ giữ này, một chất quang học được đặt dưới mẫu, và một hình ảnh STEM trường sáng được tạo ra bằng cách phát hiện ánh sáng được tạo ra khi electron truyền qua mẫu màng mỏng va chạm với chất quang học bằng UVD. Bộ giữ này có thể phát hiện chỉ ánh sáng được tạo ra bởi electron truyền một cách hiệu quả hơn so với các bộ giữ STEM phản xạ bằng tấm kim loại hiện tại, do đó, có thể quan sát hình ảnh STEM với tỷ lệ S/N cao.
Hình 5 cho thấy kết quả quan sát hạt nano từ nam châm bằng hệ thống FE-SEM mô hình SU5000 sử dụng bộ giữ STEM này và kết quả đo kích thước hạt bằng phần mềm phân tích hình ảnh. Mặc dù điện áp gia tốc chỉ là 30 kV, những hạt nhỏ có kích thước từ vài chục nanomet đã được quan sát rõ ràng. Hơn nữa, xử lý hình ảnh được thực hiện bằng phần mềm phân tích hình ảnh Image-Pro (Media Cybernetics), và các đường kính của các hạt nano và phân phối kích thước hạt được phân tích. Bằng cách sử dụng hình ảnh STEM, lỗi liên quan đến việc chồng lấp giữa các hạt có thể được giảm thiểu.
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của bộ giữ STEM
Hình 5: Kết quả quan sát và phân phối kích thước hạt cho hạt nano từ nam châm sử dụng bộ giữ STEM (điện áp gia tốc: 30 kV) (Mẫu được cung cấp nhờ sự giúp đỡ của Giáo sư Toru Maekawa, Trung tâm Nghiên cứu Điện tử Bio-Nano, Đại học Toyo)
Tiếp theo, chúng tôi giới thiệu một ví dụ về quan sát mẫu chất lỏng bằng cách sử dụng bộ giữ STEM và bộ giữ mẫu chất lỏng. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng K-kit (được sản xuất bởi Bio MA-Tek), một loại viên nang quan sát chất lỏng đã được thương mại hóa. Đây là một viên nang được làm từ silic và có các màng nitride silicon cho phép quan sát. Mẫu chất lỏng được đổ từ cổ tiêm vào viên nang bằng hiệu ứng nấp capilô và được đóng kín bằng keo để duy trì trạng thái lỏng trong buồng SEM. Vùng quan sát nằm ở giữa bộ giữ. Một khu vực trong vùng này được chiếu tia electron, và electron truyền qua được phát hiện. Hình 6 cho thấy kết quả quan sát STEM của một dung dịch có kích thước hạt là 40 nm bằng cách sử dụng hệ thống W-SEM mô hình SU3900.
Hình 6(a) cho thấy kết quả quan sát của một dung dịch đã khô nhỏ giọt lên một lưới với màng collodion, các hạt trong dung dịch tập trung lại trong quá trình khô, làm cho việc quan sát trạng thái phân tán trở nên khó khăn. Ngược lại, Hình 6(b) cho thấy kết quả quan sát của một dung dịch được tiêm và kín bằng K-kit, cho thấy rằng các hạt trong dung dịch được phân tán tốt có thể được quan sát dưới dạng các điểm đen. Do đó, trạng thái phân tán của các hạt trong chất lỏng có thể được quan sát rõ ràng ngay cả khi sử dụng kỹ thuật quan sát STEM trong SEM.
![Fig. 6 Results of STEM observation of a slurry (accelerating voltage: 30 kV) [(a) Dripped onto mesh. (b) Using K-kit]](https://www.hitachi-hightech.com/image/global/sinews/technical_explanation/130312/index_06.jpg)
Hình 6: Kết quả quan sát STEM của một dung dịch (điện áp gia tốc: 30 kV) [(a) Nước nhỏ giọt lên lưới. (b) Sử dụng K-kit]
Bài báo này giới thiệu ví dụ về các quan sát sử dụng UVD có thể được lắp đặt trong các hệ thống W-SEM và FE-SEM. Đã chỉ ra rằng vị trí của lỗ lệch chủ đề trong một cấu trúc GaN và các loại anatase trong các hạt nano TiO2 có thể được phân biệt bằng cách sử dụng kỹ thuật quan sát CL. Sử dụng STEM, đã chỉ ra rằng hạt nano từ nam châm có thể được hình ảnh và phân phối kích thước hạt có thể được xác định bằng cách sử dụng bộ giữ STEM mới phát triển, và các mẫu chất lỏng có thể được quan sát bằng cách kết hợp K-kit và bộ giữ STEM. UVD không chỉ hoạt động như một bộ dò electron phụ dưới điều kiện chân không thấp, mà còn là một bộ dò đa chức năng có thể ghi lại hình ảnh CL và hình ảnh STEM, điều mà trước đây yêu cầu các bộ dò chuyên dụng. Các tác giả kỳ vọng rằng các hệ thống SEM được trang bị UVD sẽ đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất của thiết bị bán dẫn và phát triển vật liệu nano chức năng mới.
References
Publication data
Published in the monthly journal Engineering Materials (December issue 2020)
About the author
Analysis Systems Solution Development Department
Metrology and Analysis Systems Product Division
Nano-Technology Solution Business Group
Hitachi High-Tech Corporation
Control Systems Design Department
Metrology and Analysis Systems Product Division
Nano-Technology Solution Business Group
Hitachi High-Tech Corporation
