Proiect la Microscopie și Analiza de Imagine

1. INTRODUCERE

Cercetatorii au creat din aproape in aproape stiinta fizicii. Aceasta stiinta a evoluat mult si continua sa se dezvolte, dar scopul ei, vast si ambitios, ramane acelasi: studierea fenomenelor naturale si definirea legilor care le guverneaza. Fizica este stiinta care studiaza materia, energia si miscarea.

Plecand de la legile geometrice ale reflexiei si refractiei, au fost inventate numeroase instrumente optice (lupa, ochelari, microscop, telescop…) pentru a mari capacitatea de vedere a ochiului liber, cu alte cuvinte, pentru a-l ajuta sa vada ceea ce este prea mic sau prea departe. Lentila – convexa sau concava – este elementul de baza al tuturor acestor instrumente. Aceasta simpla bucata de sticla sau de plastic, cu suprafete curbate, modifica traiectoria razelor de lumina care o traverseaza. Lentila redirectioneaza razele de lumina venind de la un obiect, formand o imagine.

Microscoapele produc imagini marite ale obiectelor care sunt prea mici pentru a fi vazute cu ochiul liber. Microscoapele electronice pot mari pana la 200.000 de ori.

Cel mai simplu microscop este format din doua lentile convexe suprapuse, ocularul si obiectivul. Obiectul care trebuie observat este puternic iluminat si privit prin transparenta. Lentila convexa a obiectivului produce o imagine a obiectului, care este la randul ei marita de lentila convexa a ocularului. Cele doua lentile isi insumeaza puterile de marire, ceea ce in final produce o imagine foarte marita a respectivului obiect.

Microscoapele electronice formeaza imaginile utilizand electroni in loc de lumina. Fasciculele de electroni sunt focalizate folosind campuri magnetice in loc de lentile de sticla.

2. EXEMPLE DE MICROSCOPIE CU ELECTRONI

Microscopia cuelectroni poate fi impartita doua mari categorii:de transmisie, in cazul specimenelor aproape bidimensionale (cu grosimi mai mici sau comparabile cu drumul liber mediu al electronilor accelerate - zeci de nm ) sau de investigare a suprafetei in cazul celor tridimensionale (cand dimensiunile depasesc drumul liber mediu pe toate axele). In prima categorie se incadreaza: Microscopul Electronic cu Transmisie (TEM - Transmission Electron Microscope)si Microscopul Electronic cu Transmisie de Inalta Rezolutie(HRTEM-High- Resolution Transmission Electron Microscopy) iar in cea de-a doua: Microscopul Electronic cu Scanare (SEM - Scanning Electron Microscope),Microscopul Electronic de Scanare in Mediu (ESEM – Environmental SEM), Microscopul Electronic cu Reflexie (REM- Reflec- tion Electron Microscope), Microscopul cu Electroni de Energie Joasa (LEEM - Low-Energy Electron Microscope) si Microscopul Electronic de Energie Joasa cu Polarizare a Spinului (SPLEEM - Spin-Polarized Low-Energy Electron Microscopy). Exista insa si o combinatie a celor doua sub forma Microscopului Electronic de Transmisie de Scanare (STEM - Scanning Transmission Electron Microscope).O diferenta majora intre cele doua metode este rezolu- tia care ar putea fi teoretic atinsa: 0.5 Angströmi in cazul unui TEM la o marire de 50 de milioane de ori si cu o corectie de sfericitate sucienta fata de 0.4 nm in cazul unui SEM la o marire de 2 milioane de ori.

Figura1. Performantele atinse in domeniul microscopiei cu electroni

Cele doua tipuri principale de microscoape electronice sunt : microscopul electronic cu transmisie sau TEM si microscopul electronic cu scanare sau SEM.

SEM-ul a fost construit in 1938 de von Ardenne. Cambridge Scientific Instruments a produs primul instrument comercial in 1965. Acest sistem a fost supus unor continue imbunatatiri rezolutia crescand de la 50 nm, in 1942 la aproximativ 0,7 nm, astazi. Deasemenea, cu ajutorul SEM-ul „contemporan” putem obtine informatii despre compozitia probei studiate prin detectia razelor X, electronilor retroimprastiati, catodoiluminiscenta si electroni Auger.

Principiul de baza al functionarii SEM-ului (Scanning Electron Microscopy) este acela al aplicarii unei tensiuni intre o proba conductiva si un filament ceea ce duce la emisie de electroni de la filament la proba analizata. Masuratorile se fac intr-o incinta vidata de la 10-4

Torr pana la 10-10 Torr. Electronii sunt orientati pana la proba cu ajutorul unor lentile magnetice. Rezolutia imaginilor obtinute depinde de curentul fascicolului de electroni si de dimensiunea finala a spotului de electroni ce poate fi ajustat cu una sau mai multe lentile condensoare.

Lentilele sunt deasemenea folosite pentru a minimaliza efectele aberatiei sferice, aberatiei cromatice, difractiei si astigmatismului. Fascicolul de electroni interactioneaza cu proba in cativa nanometrii pana la cativa microni, acest lucru depinzand de parametrii fascicolului si

de tipul de proba.

Semnalul dat de electronii secundari este cel mai folosit in investigatii de morfologie. Electronii secundari sunt produsi in urma interactiei dintre fascicolul de electroni si electronii slab legati in banda de conductie a materialului studiat. O parte din energia fascicolului este transferata electronilor din banda de conductie oferindu-le indeajuns de multa energie pentru a iesii la suprafata materialului fiind numiti electroni secundari. Electronii secundari au energii joase (<50eV), astfel, doar cei formati la o adancime foarte mica, cativa nanometrii, vor avea suficienta energie pentru a ajunge la suprafata si apoi la detector.

Electronii cu energii mari ce sunt retroimprastiati (backscattered electrons) pot forma deasemenea electroni secundari. Imaginea SEM obtinuta este rezultatul intensitatii emisiei electronilor secundari din proba.Un avantaj cheie al SEM-ului este adancimea de patrundere a campului relativ mare. Aceasta caracteristica face posibila obtinerea unor imagini clare, cu milimetrii de informatie verticala a unor suprafete foarte rugoase.