dr giuliano angella istituto ieni – cnr unità territoriale ... introduttiva su tem - g... ·...
TRANSCRIPT
Introduzione alla
Microscopia Elettronica in Trasmissione
Dr Giuliano Angella
Istituto IENI – CNRUnità territoriale di Milano
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Schema “ottico” della colonna di un TEM
Immagine
Sorgente elettronica e sistema di accelerazione
Lenti elettromagnetiche condensatrici
Campione
Lente obiettivo (formazione immagine)
Lente proiettiva (ingrandimento immagine)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Il cannone elettronico
(electron gun)
per una sorgente termoionica -
filamento di W
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Gli elettroni sono accelerati dalla differenza di potenziale Vo applicata tra anodo e sorgente elettronica (punta del filamento di W).
Essendo la forza elettrostatica conservativa, per il principio della conservazione dell’energia meccanica, durante il processo di accelerazione l’elettrone emesso alla punta del filamento traduce la sua energia potenziale (Ep) in energia cinetica (E0), dove:
Ep = (-e)(-V0) = e V0
In altri termini, l'energia cinetica dell'elettrone (Eo), se espressa in eV, è uguale in valore assoluto alla tensione di accelerazione.
Vo = 200 kV Eo = 200 keV
Energia degli elettroni
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Gli elettroni hanno una lunghezza d’onda che è data dalla relazione di de Broglie
λ = h/(mv)
dove h è la costante di Plank, e mv è il modulo della quantità di moto dell’elettrone, pari per la Fisica classica a (2meVo)1/2.
Questa semplice espressione non è accurata per particelle che viaggiano ad una velocità che è una frazione apprezzabile della velocità della luce c: è necessaria una correzione relativistica.
λ = h/(2meVo·(1 + eVo/2mc2) )1/2
Esempi di valori di λ per accelerazioni tipiche della microscopia TEM applicata allo studio dei materiali inorganici sono sotto riportati.
Lunghezza d’onda λ degli elettroni
1.64 × 10-32.23 × 10-3300
2.51 × 10-32.73 × 10-3200
3.70 × 10-33.86 × 10-3100
λ relativistica (nm)λ non-relativistica (nm)Vo (kV)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Sistema ottico
1/u + 1/v = 1/f
Ingrandimento M = v/u
Avvolgimento in cui circola corrente
continua
Linee di forza del campo induzione magnetica B:
campo con simmetria cilindrica
Funzionamento delle lenti elettromagnetiche:
forza di Lorentz FL devia il moto degli elettroni lungo
l’asse ottico
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Sistema ottico
FL = -e (v x B)
|FL| = evBsin(v,B)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Sistema ottico
FL = -e (v x B)
|FL| = evBsin(v,B)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Schema “ottico” della colonna di un TEM
Le strutture dei microscopi elettronici in scansione SEM ed in trasmissione TEM sono analoghe per la parte di colonna compresa fra la sorgente elettronica ed il campione, sennonché:
• nel SEM il fascio elettronico è focalizzato sulla superficie del campione e bobine di scansione muovono il fascio sulla superficie;
• nel TEM l’illuminazione elettronica è parallela.© G. Angella
Interazione elettroni (fascio incidente) - campione
SEM
TEM
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
MO SEM TEM
Ingrandimento 5 – 2000 10 – 105 103 - 107
Risoluzione limite 100 nm 5 nm 0,3 nm
Profondità di
campo
0,1 mm (a 10 X)
10 mm (a 10 X)
dipende dallo spessore
del campione nella
zona investita dal
fascio
Risoluzione limite al SEM = 5 nm
dipende dalla dimensione del fascio incidente
focalizzato sul campione
Risoluzione limite al TEM = 0.3 nm
dipende dalla lunghezza d’onda λ dell’elettrone
2.51x10-3 nm con energia di 200 keV
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
ESEMPI di investigazioni
conMicroscopia Elettronica in Trasmissione
Dr Giuliano Angella
Istituto IENI – CNRUnità territoriale di Milano
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
1 µm
Lega di alluminio d’interesse
commerciale
Precipitati grossolani intermetallici
Al13Cu4Fe3
e
Al11Mn3Cu5
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
precipitazione fine: proprietà meccaniche del materiale
B = [011]
(200)
(-111)
(1-11)
T
[001]
[100]
40 nm
Immagine in campo chiaro Immagine di diffrazione associata all’immagine in
campo chiaro
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
B = [011]
(200)
(-111)
(1-11)
T
(-111)T
Immagine di diffrazione
B = [011]
B = asse di zona
T = spot trasmesso
(hkl) = indici di Miller che indicizzano domini di diffrazione da famiglie di piani cristallografici
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
T
Immagini in campo chiaro
[001]
[100]
40 nm
Inserimento diaframma obiettivo centrato in T
Campo chiaro
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
T
Immagini in campo scuro
[001]
[100]
40 nm
Inserimento diaframma obiettivo centrato in domini di diffrazione
Campo scuro
© G. Angella
B = [011]
(200)
(-111)
(1-11)
T
B = [001]
(200)
(020)
(220)T
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
Simmetria duplice Simmetria quadrupla
Asse di zona B = [011] Asse di zona B = [001]
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
B = [001]
(200)
(020)
(220)T
40 nm
[100]
[010]
Immagine in campo chiaro
Materiale sottoposto a creep:
170oC, 230 MPa, 273 h
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
T
(020)α
B = [001]
(-110)θ '
Fase θ ’ con base a×a (a = 0.404 nm) coincidente con la base a×a di Al (FCC) (a = 0.404 nm)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
40 nm
[100]
[010]
B = [001]
(200)
(020)
(220)T
B = [001]
Immagine in campo chiaro
Materiale sottoposto a creep:
170oC, 190 MPa, 1790 h
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
T
(-110)θ '
(020)α
B = [001]
T
(020)α
B = [001]
Evoluzione della lega a 170oC dopo 1500 ore
PRIMA DOPO 1500 ore
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Lega Al 2014 (Al-Cu-Mg-Si)
Una nuova fase è presente
(100)θ'(110)θ
B = [001] T
T
(020)α
B = [001]
T
(020)α
B = [001]
T
(-110)θ '
(-110)θ
(-220)θFase θ con base a×a (a = 0.607 nm) coincidente con la base a×a di Al (FCC) (a = 0.404 nm)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Schema di una dislocazione di taglio all’interno del reticolo cristallino
Immagini di dislocazioni
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Stato tensionale prodotto dalla deformazione del reticolo intorno ad una dislocazione a spigolo
- in grigio chiaro è visualizzato lo stato di compressione
- in grigio scuro quello di trazione© G. Angella
Dimensione media delle particelle di γ’~ 250 nm
Le particelle sono ostacolo al moto dislocativo: il materiale è rafforzato
Reticolo di dislocazioni con distanza tra i nodi pari a ~ 200 nm
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Creep su Nimonic 263
900oC - 55 MPa: rottura a ~ 1250 ore
© G. Angella
Fase γ’ dissolta
Le dislocazioni provenienti da piani di scorrimento di versi si ostacolano
vicendevolmente
Reticolo di dislocazioni con distanza tra i nodi pari a ~ 250 nm
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Creep su Nimonic 263
950oC - 36 MPa: rottura a ~ 500 ore
© G. Angella
In opportune condizione di eccitazione a doppio fascio (2 beam conditions) o diffrazione in condizioni dinamica
si ottengono le migliori immagini delle dislocazioni in quanto il contrasto è massimo
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
T
g(hkl)
Esempio di 2 beam conditions(diffrazione con fascio convergente)
Solo una famiglia di piani
g(hkl)
contribuisce alla diffrazione
© G. Angella
In determinate condizioni di eccitazione a doppio fascio le dislocazioni spariscono
Condizione di invisibilità per le dislocazioni
g . b = 0 e g . b × u = 0
g = vettore dello spazio reciproco che caratterizza la famiglia di piani cristallografici eccitati in 2 beam conditions
b (RD) = vettore di Burgers, ossia il vettore di “spostamento” che caratterizza la deviazione dal cristallo perfetto che caratterizza il difetto per la dislocazione
Nota – è necessario sapere sempre in quali condizioni dinamiche di diffrazione si opera e tentare diverse 2 beam conditions per verificare l’estinzione
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Calcolo dello spessore della lamina sottile attraverso l’analisi delle frange di Kossel - Möllestedt
B
i2hkl
i 2ds
ϑϑ∆λ
=
222
2i
i11
t1
is
hklξ
−=
si = deviazioni dalla condizione di due fasci eccitati
λ = lunghezza d’onda dell’elettrone (2,5×10-3 nm a 200 kV)
ξ hkl = lunghezza d’estinzione per la famiglia di piani (hkl)
t = spessore del campione nella zona di diffrazione
Convergent Beam in 2 beam conditions
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Calcolo dello spessore della lamina sottile attraverso l’analisi delle frange di Kossel - Möllestedt
Calcolo dello spessore in Nimonic 263 a 950 oC
222
2i
i11
t1
is
200ξ
−=
ξ 200 = lunghezza d’estinzione per la famiglia di piani (200) (da letteratura, In100 = 36 nm)
t = spessore del campione nella zona di diffrazione (attraverso fascio convergente)
t = (320 ± 15) nm
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Calcolo della densità di dislocazioni attraverso il metodo del numero d’intersezioni
di dislocazioni per unità di linea
ρ = densità di dislocazioni
N = numero d’intersezioni su L
L = lunghezza della retta d’intersezione
M = ingrandimento
t = spessore
L
tM
LN2=ρ
NB – Immagini delle dislocazioni lontano dalle condizioni di doppio fascio eccitato (condizioni cinematiche)
© G. Angella
Creep su Nimonic 263
700oC - 380 MPa: rottura a 600 ore
Difetti estrinseci d’impilazione
giacenti su piani
da sistemi dislocativi parziali
Nota – Non si vedono dislocazioni, perché invisibili in queste condizioni
di diffrazione.
( )111
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
© G. Angella
Corso di Base di Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM) per metallurgistiAIM e CNR-IENI (Milano)
Microdiffrazione da particelle Ce2O3 (FCC) in matrice SiO2 prodotte per sol-gel metodo di dimensione media < 20 nm
Informazioni cristallografiche con
elevata risoluzione spaziale
Microdiffrazione
© G. Angella