@. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI @iga Ponikvar 1 , Matja` Fin{gar 2 , Sa{o Gyergyek 1,2 ZNANSTVENI ^LANEK 1 Institut »Jo`ef Stefan«, Jamova 39, 1000 Ljubljana 2 Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Smetanova 17, 2000 Maribor POVZETEK V tem delu je predstavljena elektronska mikroskopija, kjer je posebna pozornost namenjena presevni elektronski mikroskopiji (TEM). Opisane so njene prednosti, slabosti in mehanizmi delovanja. Ker TEM zaradi uporabe visokoenergijskega snopa elektronov omogo~a poleg opazovanja strukture trdnin tudi druge analize, so opisane {e komplementarne spektroskopske tehnike (energijskodisperzijska spektroskopija rentgenskih `arkov, EDXS, in spektroskopija energijske izgube elektronov, EELS). Zaradi bolj{ega razumevanja so obrazlo`ene vrste interakcij vpadnih elektronov s snovjo, izmed katerih sta glavni elasti~no in neelasti~no sipanje. Klju~ne besede: TEM, EDXS, EELS, elasti~no sipanje, neelasti~no sipanje Principles of electron microscopy with an emphasis on transmission electron microscopy ABSTRACT This work presents electron microscopy with an emphasis on the transmission electron microscopy (TEM). Various advantages as well as disadvantages are discussed in addition to different modes of operation. TEM is based on a high energy electron beam which enables imaging and offers a wide range of analytical methods, most prominent being complementary spectroscopy techniques (energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDXS, and electron en- ergy loss spectroscopy, EELS). To further aid understanding this topic the most notable electron–matter interactions are explained. Elastic and inelastic scattering mechanisms are described in de- tail. Keywords: TEM, EDXS, EELS, elastic scattering, inelastic scat- tering 1 UVOD Presevna elektronska mikroskopija (TEM, angl. transmission electron microscopy) je vsestranska metoda za analizo trdnin. Zaradi opazovanja pri visoki pove~avi oz. lo~ljivosti omogo~a vpogled v velikost in obliko delcev oz. kristalnih zrn, ki sestavljajo trdnino, strukturne zna~ilnosti, defekte in kemijsko sestavo. Presevna elektronska mikroskopija je tudi izjemno pomembna za karakterizacijo nanomaterialov. Na~in delovanja je podoben opti~nemu mikroskopu, vendar se namesto vidne svetlobe uporablja pospe{ene elek- trone [1]. Delci, kot so elektroni, se lahko obna{ajo kot valovanje, njihova valovna dol`ina pa je odvisna od gibalne koli~ine. Elektrone lahko zaradi naboja pospe{imo v elektri~nem polju. Pri vi{jih napetostih dobimo visokoenergijske elektrone, za katere je zna~ilna kratka valovna dol`ina, kar omogo~a visoko lo~ljivost, hkrati pa mo~no interagirajo z atomi v materialu. Pri pospe{evalnih napetostih med 1 kV in 300 kV imajo elektroni valovne dol`ine v obsegu 1–40 pm. Mikroskop, na~rtovan za uporabo elek- tronov z 200–300 keV, dosega veliko bolj{o lateralno lo~ljivost kot svetlobni, celo do 0,1 nm, in tako omogo~a preiskovanje na atomski skali. Namesto s steklenimi (kot je to v primeru opti~nega mikroskopa) elektrone fokusiramo z elektromagnetnimi le~ami [1–3]. 2 PREDNOSTI SLIKANJA Z UPORABO ELEKTRONOV Glavna prednost elektronske mikroskopije je visoka lo~ljivost. Sodobni TEM-mikroskopi lahko dolo~ijo pozicijo in vrsto posameznih atomov, pridob- ljene informacije pa so odvisne od izbrane tehnike in pogojev delovanja naprave. Presevni elektronski mikroskopi nudijo {iroko obmo~je pove~av, obi~ajno med 2.000- in 1.000.000-krat. To omogo~a karakterizacijo razli~no velikih struktur med eno samo analizo. Treba je razumeti razliko med pove~avo in lo~ljivostjo. Pove- ~ava slike je velikost opazovane lastnosti v primerjavi z njenimi realnimi dimenzijami. Pove~ava sliko naredi ve~jo, lo~ljivost (ali resolucija) pa je zmo`nost razlo~evanja med posameznimi lastnostmi v okviru celotne slike. Velika pove~ava je neuporabna, ~e pogoji delovanja mikroskopa niso optimizirani za doseganje zadostne lo~ljivosti. Elektroni zaradi negativnega naboja intenzivno interagirajo z atomi. Interakcije elektronov z vzorcem vodijo do {tevilnih pojavov, kjer pride do emisije razli~nih delcev ali svetlobe, kar je mo`no zaznati in uporabiti za strukturne ali kemijske analize majhnih obmo~ij vzorca. Elektronska mikroskopija je obenem orodje za slikanje in spektroskopske analize [2]. 3 SLABOSTI SLIKANJA Z UPORABO ELEKTRONOV Vzorec mora biti preseven za elektrone, zato je navadno tanj{i od 100 nm. Za nanodelce to obi~ajno ni problem, ve~je kose materiala pa je treba stanj{ati, kar je lahko te`avno, ~asovno potratno in lahko vzorec nekoliko spremeni. Pojavijo se artefakti, lastnosti, ki @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 27 jih vzorec nima in so izklju~no posledica njegove priprave. Mo~ne interakcije elektronov s snovjo lahko vodijo do te`av pri na~inu izvedbe raziskave. TEM-mikro- skopi za delovanje potrebujejo visoki vakuum, med 10 –4 Pa in 10 –7 Pa. Materiali z visokim parnim tlakom (biolo{ki vzorci, teko~ine) se pod nizkim tlakom lahko spremenijo zaradi izgube vode in drugih hlapnih komponent. V ta namen so razvili posebne sisteme, imenovane LP EM (angl. liquid-phase electron mi- croscopy), ki lahko delujejo do tlakov 4 kPa. Na~in interakcije elektronov s snovjo je odvisen od kineti~ne energije vpadnih elektronov. Obi~ajni elektronski mikroskopi uporabljajo pospe{evalno napetost 1–300 keV, odvisno od vrste naprave. Prenos energije lahko po{koduje vzorec, kar je treba upo{te- vati `e pred raziskavo. Nekatere spremembe v materialu na atomskem nivoju so neizogibne, vendar v~asih sprejemljive. Po{kodbe so odvisne od vrste materiala in uporabljene tehnike [2]. 4 VRSTE MIKROSKOPOV Obstaja ve~ vrst elektronske mikroskopije, glavni pa sta vrsti~na elektronska mikroskopija (angl. scan- ning electron microscopy, SEM) in TEM. V SEM- in TEM-mikroskopih oblikujemo visokoenergijski snop elektronov, ki zadane vzorec v vakuumski komori. SEM-mikroskopi so na~rtovani za preiskave povr{in materialov (analogija z refleksijskimi svetlobnimi mikroskopi), TEM-mikroskopi pa za raziskave notranje zgradbe vzorcev (podobno transmisijskim svetlobnim mikroskopom) [2]. Pri konvencionalnem TEM, imenovanem tudi CTEM (angl. conventional TEM), je vpadni paralelni snop elektronov usmerjen na dolo~en del vzorca. Presevne elektrone fokusira sistem le~ in zazna detektor, kontrast pa temelji na razli~ni difrakciji presevnih elektronov. Energije elektronov so navadno 80–300 keV, kar jim omogo~i prehod skozi material, ~e je vzorec dovolj tanek. Pri STEM (angl. scanning TEM) je konvergentni snop elektronov usmerjen v eno to~ko, ki se premika po vrsticah ~ez vzorec (skeniranje ali vrsti~enje, iz ~esar tudi izvira ime mikroskopa). Fokusiran snop povzro~i razli~ne interakcije z atomi vzorca, ki jih zaznajo detektorji. Signal iz detektorja se uskladi z lego snopa na vzorcu, intenziteta pa omogo~i izra~un pripadajo~ega slikovnega elementa (piksla). Zbrane signale sestavimo v sliko, kjer je razporeditev slikov- nih elementov odvisna od zaporedja vrsti~enja. Slika nastane druga~e in nosi druge informacije kot pri CTEM. Slika 1 shematsko prikazuje princip delovanja CTEM in STEM [2]. 5 INTERAKCIJA ELEKTRONOV S SNOVJO Obstaja veliko mehanizmov, po katerih elektroni interagirajo s snovjo in jih je pri elektronski mikro- skopiji lahko uporabimo za pripravo slik vzorca. Primarni elektroni zadenejo vzorec, nekaj pa se jih odbije nazaj proti viru. Imenujejo se povratno sipani elektroni (angl. backscattered electrons, BSE). Sekun- darni elektroni (SE) izvirajo iz vzorca. Od primarnih prejmejo kineti~no energijo in zapustijo material (emisija) [2]. Primarni vpadni elektroni sledijo vsak svoji trajek- toriji skozi vzorec. Interakcije teh elektronov z atomi ali njihovimi elektroni povzro~ijo sipanje, tj. spre- membo prvotne smeri. Verjetnost, da bo do tega pri{lo, je odvisna od poti skozi vzorec (razporeditev atomov, vrsta elementa, debelina). Tako presevni primarni kot povratno sipani elektroni so se lahko predhodno elasti~no ali neelasti~no sipali. Elasti~no sipanje pomeni, da ni izgube energije vpadnega primarnega elektrona. Elasti~no sipani elektroni lahko spremenijo smer, ne pa valovne dol`ine. Koherentno elasti~no sipanje povzro~i efekt, @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI 28 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 Slika 1: Shematska ponazoritev CTEM in STEM: a) vzporedno vzor~enje pri CTEM in b) zaporedno vzor~enje presevnih elektronov pri STEM. Prirejeno po [2]. imenovan elektronska difrakcija, ki omogo~a dolo- ~itev kristalne strukture. Do neelasti~nega sipanja pride, kadar interakcija povzro~i izgubo energije vpadnega elektrona. Neelasti~no sipani elektroni imajo ve~jo valovno dol`ino, proces pa lahko poteka po {tevilnih mehanizmih. Razliko v energiji prejme vzorec, kar povzro~i nastanek {irokega nabora signalov, uporabnega za karakterizacijo materialov (slika 2) [2]. Debelej{i kot je vzorec, dalj{o pot mora prepo- tovati elektron in ve~ja je verjetnost ve~kratnih sipanj. V debelih vzorcih je manj verjetno, da bo pri{lo le do elasti~nega sipanja. Pri neelasti~nem trku pride do izgube kineti~ne energije. Elektron, ki vso svojo energijo preda vzorcu, se absorbira [2]. Volumen, kjer elektroni interagirajo z vzorcem, dolo~en s tridimenzionalno razporeditvijo elektron- skih trajektorij, se imenuje interakcijski volumen. Povpre~na najve~ja vdorna globina pred absorpcijo elektrona, ki jo omogo~i dolo~ena koli~ina energije, se imenuje doseg elektrona. Tanki vzorci, skozi katere lahko del primarnih elektronov prodre, so elektronsko prosojni. Pojav je odvisen od kineti~ne energije vpadnih elektronov (dolo~ena s pospe{evalno napetostjo) in od kemijske sestave vzorca. Pri dani debelini materiali s te`jimi elementi mo~neje interagirajo z elektroni in jih hitreje absorbirajo. ^e je vzorec tanj{i od dosega elektrona, je elektronsko presojen. Primerjava interakcij s tankim in debelim vzorcem je prikazana na sliki 3 [2]. 6 NASTANEK SIGNALOV Ko snop elektronov zadane vzorec, pride ve~inoma do emisije sekundarnih elektronov (sipani primarni elektroni) in rentgenskih `arkov. Nastali signali so @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 29 Slika 2: Nastanek razli~nih pojavov ob interakciji vpadnih primarnih elektronov s tankim vzorcem. Ve~ino signalov je mogo~e zaznati pri TEM z razli~nimi tehnikami. Kotne odvisnosti pojavov so za bolj{o preglednost narisane pretirano. Prirejeno po [4]. Slika 3: Primerjava vrst sipanja elektronov pri a) tankih in b) debelih vzorcih. Tanek vzorec omogo~a sipanje naprej in v povratni smeri, debel vzorec pa sipa vpadne elektrone le v povratni smeri. Prirejeno po [4]. intenzivni in jih je lahko izmeriti, zato jih uporabljamo v strukturnih analizah pri SEM. Presevni snop pri- marnih elektronov, pomemben pri TEM, je dovolj mo~an le v primeru uporabe tankih vzorcev. Sekundarni elektroni lahko nastanejo po ve~ mehanizmih neelasti~nega sipanja. Najpogostej{i so po~asni sekundarni elektroni, to so izbiti valen~ni ali {ibko vezani elektroni zunanjih lupin z energijami 0–50 eV. Hitri elektroni so izbiti iz notranjih lupin in imajo do 50 % energije vpadnih primarnih elektronov. Prisotni so tudi nizkoenergijski Augerjevi elektroni z zna~ilnimi energijami elektronskih prehodov med posameznimi energijskimi nivoji [2]. Rentgenski `arki nastanejo po enem izmed dveh glavnih mehanizmov neelasti~nega sipanja. Zavorno rentgensko sevanje (nem. Bremsstrahlung) nastane zaradi hitrega upo~asnjevanja primarnih elektronov ob trku z atomi v tar~i. Spekter energije tega sevanja je zvezen. Karakteristi~ni rentgenski `arki nastanejo, ko vpadni elektroni iz atoma tar~e izbijejo elektron. Sledi prehod elektrona z vi{jega energijskega nivoja na mesto prvega, kar povzro~i emisijo rentgenskega `arka. Spekter je karakteristi~en za atom in omogo~a kemijsko analizo vzorca pri zelo visoki prostorski lo~ljivosti (v nekaterih primerih celo na atomski). Zna~ilen spekter je prikazan na sliki 4 [2]. Katodoluminiscenca je emisija vidne ali ultravijo- li~ne svetlobe iz polprevodni{kih materialov, izvira pa iz vzbujanja para elektron–vrzel zaradi vpadnih primarnih elektronov. Svetloba nastane, ko se vzbujeni elektroni iz prevodnega pasu rekombinirajo z vrzelmi. Nekatere interakcije elektronov s snovjo ne pov- zro~ijo nastanka signalov, lahko pa spremenijo notranjost vzorca. Najpomembnej{a sta nastanka fononov (osnovne vibracije, kjer atomi ali molekule v kristalni re{etki usklajeno nihajo, spro{~a se toplota) in plazmonov (skupne oscilacije elektronov) [2]. 7 PRESEVNA ELEKTRONSKA MIKROSKOPIJA TEM je ena izmed u~inkovitej{ih tehnik za karak- terizacijo trdnih snovi. Slika 5 prikazuje glavne sestavne dele TEM-mikroskopa: elektronska pu{ka (vir elektronov), elektrostatske le~e za fokusiranje snopa pred vzorcem in za njim ter sistem za detekcijo presevnih elektronov [2]. Slika 6 prikazuje TEM-mikroskop, instaliran na Kemijskem in{titutu v Ljubljani. @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI 30 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 Slika 4: Emisija rentgenskega `arka; a) shema nastanka karakteristi~nih X-`arkov in b) EDXS-spekter z ve~ karakteristi~nimi vrhovi pri dolo~enih energijah. Prirejeno po [2]. Slika 5: Shematska ponazoritev glavnih komponent TEM-mikroskopa. Povzeto po [2]. 7.1 Glavne lastnosti TEM-mikroskopa Elektronska pu{ka v TEM-mikroskopu obi~ajno pospe{i elektrone z napetostjo 80–300 kV, da imajo zadostno koli~ino energije za prehod skozi vzorec. Elektroni, ki so navadno v uporabi za rutinsko slikanje, imajo energijo 200–300 keV. Ni`ja energija (pod 100 keV) je koristna za analize lahkih elementov, kot je ogljik, da so po{kodbe vzorca minimalne. Posebna instrumentacija lahko deluje v kombinaciji z monokromatorjem, ki filtrira elektrone po energiji in tako ustvari snop to~no `elene energije. Dobro definirana energija je klju~na za natan~nej{e analize energijske izgube elektronov v notranjosti materialov (EELS, angl. electron energy loss spectroscopy) [2]. TEM-mikroskopi imajo ve~ elektromagnetnih le~, ki so razporejene zaporedoma vzdol` smeri elektron- skega snopa. Zbiralne le~e pred vzorcem fokusirajo elektrone v snop `elenega premera. Objektna le~a fokusira presevne elektrone, ki tvorijo difrakcijski vzorec in prvo sliko. Projektorske le~e nato pove~ajo sliko ali difrakcijski vzorec na detekcijskem zaslonu. Pred vzorec je mogo~e namestiti dodatne le~e, ki omo- go~ajo skeniranje s snopom (STEM-na~in delovanja). V zadnjih desetih letih so razvili oprema z dodatnimi le~ami, ki omogo~a popravke sferi~ne aberacije pred vzorcem in za njim. Take izbolj{ave omogo~ajo bolj{o lo~ljivost kot navadni (S)TEM-mikroskopi, celo pod 0,05 nm [2]. Sodobna TEM-instrumentacija ne omogo~a uporabe veliko razli~nih oblik vzorcev, saj je ve~ina nosilcev na~rtovana za vzorce do 3 mm premera in 200 μm debeline. Razlog so elektrostatske le~e, ki se nahajajo na vsaki strani vzorca in operaterju ote`ujejo dostop. Omenjeni novej{i aberacijsko korigirani mikroskopi z dodatnimi le~ami omogo~ajo uporabo objektnih le~ z razmiki do 5 mm, pri ~emer lo~ljivost ostaja pod 0,1 nm. [iroke vrzeli omogo~ijo uporabo ve~jih nosilcev in vzorcev, vendar omejitve za elektronsko presojnost na obmo~ju analize {e vedno ostajajo enake. Vsi vzorci za TEM morajo imeti elektronsko presojna obmo~ja. Name{~eni so na nosilce, ki se lahko pomikajo v treh smereh (x, y, z) in nagibajo okoli ene ali dveh osi (obi~ajno ±20–40°). Mo`nost premikanja je pomembna, saj tako nastanejo slike razli~nih predelov vzorca pri ve~ naklonih. Lokacija postavitve vzorca vzdol` elektronskega snopa je izredno pomembna, saj je gori{~na razdalja snopa v TEM le 100 μm ali manj [2]. TEM-mikroskopi so naprave, ki jih je treba name- stiti na obmo~ja brez vibracij in elektromagnetnih polj. Za`elena je konstantna temperatura. Nadzor snopa elektronov je zahteven, saj sta kotna disperzija elektronov in premer snopa na vzorcu zelo ob~utljiva na zunanje dejavnike. Presevni elektroni preidejo skozi vzorec, dodatni niz le~ pa jih fokusira in ustvari sliko. Sliko je mo~ opazovati v `ivo na fosfornem zaslonu ali {irokokotni kameri. Vsi dana{nji TEM-mikroskopi imajo digitalne sisteme za detekcijo elektronov, najpogostej{i pa so CCD (angl. charge coupled devices), ki pretvorijo vpadne elektrone v elektronski pulz na posamezen slikovni element. Starej{i mikroskopi lahko delujejo na fotografski film, ki pa ga skoraj ni ve~ v uporabi. V STEM-na~inu delovanja TEM potrebuje dodatne aksialne detektorje BF (angl. bright field) in detektor ADF (angl. annular dark field) [2]. 7.2 Priprava vzorcev za TEM Priprava vzorcev za TEM je mo`na na razli~ne na~ine in je lahko dokaj kompleksno opravilo. Materali iz te`kih elementov so praviloma tanj{i od 100 nm. Prave nedestruktivne metode karakterizacije z uporabo TEM so mo`ne le za nanodelce, nanovlakna in lahke materiale (molekule in ogljikovi nanodelci), ki so `e sami po sebi elektronsko transparentni. ^e je dovoljena dolo~ena stopnja destruktivne priprave vzorcev, potem se lahko uporabi {irok nabor metod za tanj{anje: elektrokemijsko raztapljanje, kemijsko jedkanje, obstreljevanje z ioni, mehanska abrazija in kontrolirano lomljenje. Priprava vzorcev za TEM mikroskopijo je bila v tej reviji `e opisana [5-7]. Pri tem sta pomembna tudi ~istost vzorca in previdno rokovanje [1]. 7.3 Spremembe vzorca med slikanjem Pri SEM in TEM na vzorec vpadajo visoko- energijski elektroni. Elasti~no sipani elektroni vzorcu ne predajo energije in ga torej ne spremenijo, neelasti~no sipani elektroni pa energijo predajo in povzro~ijo spremembe, ki so lahko bodisi reverzibilne @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 31 Slika 6: TEM-mikroskop na Kemijskem in{titutu [11] ali trajne. Trajne spremembe se imenujejo po{kodbe zaradi obsevanja in so odvisne od {tevilnih faktorjev, kot so mehanizem neelasti~nega sipanja, vzorec, energija elektronov in njihovo {tevilo. Pogoste spremembe so opisane v nadaljevanju [2]. Ko vzorec prejme ali odda elektrone, postane nabit. ^e je prevoden in sestavni del tokokroga, elektroni ste~ejo in uravnovesijo naboj. Nabijanje slabo pre- vodnih vzorcev lahko povzro~i popa~enje primarnega snopa in slab{o lo~ljivost slike. ^e primarni elektroni posameznim atomom pre- dajo velike koli~ine energije, lahko atomi zapustijo prvotno lego. Mo`en je premik na stran ali pa zapu- stijo vzorec. V kristalini~nih materialih premik povzro~i kristalne defekte (intersticijski atomi, praznine v kristalni re{etki, dislokacije in ravninske napake), ki jih je treba razlo~iti od `e obstoje~ih defektov v vzorcu. V molekulskih in polimernih materialih emisija sekundarnih elektronov lahko prekine klju~ne vezi, kar v~asih vodi do razpada polimernih verig in molekul. Na povr{inah lahko manj{e komponente zapustijo vzorec. Nastanek fononov v~asih segreje vzorec. ^e je prenos toplote v okolico slab, lahko lokalno pregretje povzro~i cepitev vezi v polimernih in biolo{kih materialih, difuzijo atomov in izgubo hlapnih kompo- nent (dehidracija). V skrajnih primerih je mogo~ nastanek lukenj v vzorcu zaradi izbitja visokoenergij- skih atomov s povr{ine [2]. 7.4 Na~ini zmanj{anja po{kodb vzorca Obstaja ve~ pristopov, ki naredijo SEM in TEM ~im bolj nedestruktivno. Zni`anje energije primarnih elektronov (ni`ja pospe{evalna napetost) omogo~i elektronu manj{i prenos energije vzorcu. Zni`anje {tevila elektronov na dolo~enem obmo~ju lahko dose`emo z raz{iritvijo snopa na ve~jo povr{ino, torej uporabo manj{e pove~ave. Del snopa lahko blokiramo z zaslonko. Kraj{i ~as slikanja zmanj{a koli~ino elektronov. Hlajenje vzorca je uporabno predvsem pri biolo{kih vzorcih. Obi~ajno uporabljamo teko~i du{ik, tehnika pa se imenuje krioelektronska mikroskopija [2]. 7.5 Na~ini slikanja s TEM Kontrast slik TEM dolo~ajo geometrija elektron- skega obsevanja, sipanja znotraj vzorca, pot presevnih elektronov skozi le~e, zaslonke in detekcijski sistem za vzorcem. Razvitih je bilo mnogo metod slikanja, ki omogo~ajo pridobitev ~im ve~ informacij iz danega vzorca. Najpogostej{e so opisane v nadaljevanju. Sipani elektroni potujejo pod dolo~enim kotom glede na vpadni snop. Lahko jih ustavimo z uporabo zaslonke, postavljene v zadnji gori{~ni ravnini objek- tivne le~e. Na ta na~in nastane slika v svetlem polju (angl. bright field, BF) iz nesipanih elektronov. Deli vzorca, kjer je sipanje intenzivnej{e, omogo~ijo prehod manj elektronom, zato je slika temnej{a. Obstaja veliko mikrostrukturnih lastnosti, ki pove~ajo lokalno sipanje elektronov (znatni vpliv ima neelasti~no sipanje). Sem spadajo debelej{a obmo~ja, pove~ana gostota, meje zrn materiala in dislokacije. Obmo~ja z mo~nim elasti~nim Braggovim sipanjem so tudi temna na BF-sliki, kar je koristno za zaznavo sprememb v orientaciji kristalov (meje posameznih zrn). Zaslonka objektiva je lahko postavljena v zadnjo gori{~no ravnino tako, da blokira nesipane in prepusti le `elene sipane elektrone. To omogo~i nastanek slike v temnem polju (angl. dark field, DF), uporabne za dolo~itev obmo~ij vzorca, ki povzro~ijo to~no dolo- ~eno vrsto sipanja elektronov (ki pridejo skozi zaslonko). Ta podro~ja so na DF-sliki svetlej{a [2]. Elasti~no sipani elektroni lahko spremenijo smer, ne pa valovne dol`ine. Konstruktivna ali destruktivna interferenca koherentnih elasti~no sipanih elektronov lahko proizvede mo~ne snope presevnih elektronov pri to~no dolo~enih kotih glede na vpadne. Uklon dolo- ~ata kristalna struktura in orientacija materiala. Pojav, imenovan elektronska difrakcija ali Braggovo sipanje, je podoben rentgenski difrakciji. Ko je kristal prefe- ren~no orientiran glede na vpadni snop elektronov, lahko elasti~no sipane elektrone fokusiramo z le~ami za vzorcem, kar vodi do nastanka difrakcijskega vzorca elektronov [2]. Elektronska difrakcija je ena izmed najpogosteje uporabljenih metod analize pri TEM. Difrakcijski vzorec nastane v zadnji gori{~ni ravnini le~e objektiva, pove~ajo pa ga le~e in projicirajo na zaslon. Podrobna analiza difrakcijskega vzorca omogo~i dolo~itev kristalografskih lastnosti celotnega vzorca, kot so vrsta kristalne re{etke s posameznimi parametri, lokalna orientacija kristalov, prisotnost razli~nih faz in odnosi med orientacijami faz. Strukturno analizo z elektronsko difrakcijo lahko izvedemo vzporedno z BF-slikanjem in analizo EDXS (angl. energy-disper- sive X-ray spectroscopy) ali analizo z uporabo spek- troskopije energijske izgube elektronov (EELS). Nanometrska lo~ljivost elektronske difrakcije je bolj{a od tiste, ki jo omogo~a rentgenska difrakcija, vendar jo lahko izvedemo le na elektronsko transparentnih vzorcih. Nekateri TEM-instrumenti imajo name{~ene tuljave, ki omogo~ajo skeniranje vzorca s fokusiranim primarnim snopom elektronov. Tak STEM-na~in delovanja je koristen pri izvedbi zaporednih kemijskih @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI 32 VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 analiz po razli~nih obmo~jih vzorca. Napredni instru- menti, sploh tisti z zmo`nostjo korekcije sferi~ne aberacije elektronskega snopa, lahko ustvarijo fokusi- rane snope premera manj kot 0,1 nm. To v kombinaciji z elektroniko za zelo stabilno skeniranje omogo~i premikanje snopa zaporedno po eno vrstico atomov naenkrat. V STEM-na~inu delovanja nesipani elektroni tvorijo BF-, sipani pa ADF-slike. Nekoherentno sipane elektrone pod velikimi koti lahko zaznamo s HAADF-detektorjem, take slike pa ka`ejo zelo inten- zivne spremembe kontrasta na obmo~jih lokalnih sprememb atomskega {tevila (Z). Pridobljeni Z-kon- trast je mo~ uporabiti za kemijsko analizo na atom- skem nivoju. Tak{ne slike so za interpretacijo la`je kot slike HRTEM [2]. 8 SPEKTROSKOPIJA TEM Neelasti~no sipanje elektronov prenese energijo vzorcu, kar povzro~i emisijo sekundarnih elektronov, povratno sipanih elektronov, rentgenskih `arkov in presevnih elektronov z ni`jo energijo. TEM-mikro- skopi zaradi pomanjkanja prostora v le~i objektiva obi~ajno nimajo detektorjev sekundarnih ali povratno sipanih elektronov. Pogosti pa so EDXS-detektorji in EELS-spektrometri za vzorcem, ki zberejo in analizi- rajo energijo presevnih elektronov. Ti metodi omogo- ~ata visoko selektivnost kemijskih analiz vzorca [2]. 8.1 Energijskodisperzijska spektroskopija rent- genskih `arkov (EDXS) ^e vpadni snop zadane elektrone notranjih lupin atoma, ga lahko ionizira. Nastane praznina, ki jo zapolni elektron iz vi{je lupine s prehodom v ni`jo. Energijska razlika se sprosti v obliki fotona, obi~ajno gre za rentgenski `arek. ^rte rentgenskih `arkov so poimenovane po lupinah ni`jega stanja. Prehod iz L- v K-lupino se imenuje K -~rta, rentgenske `arke pa zaznajo polprevodni{ki detektorji. Obstajajo detektorji Si:Li, detektorji iz germanija visoke ~istote in silicijevi polprevodni{ki detektorji (SSD). Slednji so tanj{i, ne potrebujejo hlajenja s teko~im du{ikom, lahko pre{tejejo ve~ elektronov v kraj{em ~asu zaradi kraj{ih difuzijskih ~asov, vendar so zaradi svoje majhne debeline (pribli`no 0,4 mm) manj ob~utljivi za detekcijo kratkovalovnih rentgenskih `arkov. Vsi detektorji imajo lahko spredaj name{~eno tanko polimerno okno, ki {~iti pred (nepopolnim) vakuumom okoli vzorca, saj bi povzro~il kondenzacijo vode, led pa bi zmanj{al ob~utljivost detektorja. Rentgenski `arek zaznamo in identificiramo na podlagi {tevila nastalih parov elektron–vrzel. V prin- cipu lahko zaznamo le en rentgenski `arek naenkrat (dva isto~asna `arka z 1,5 keV bi bila nerazlo~ljiva od e n e g as3k eV). Detektor mora signal zaznati hitro (tipi~no reda velikosti mikrosekund), v t. i. mrtvem ~asu pa ne zabele`i novih trkov. Mrtvi ~as ve~ine detektorjev je manj kot 50 % celotnega ~asa pridobitve podatkov, da omogo~i pravilno delovanje ve~kanalnega analizatorja. Ozadje predstavlja vrh pri 0 eV (vpadni snop brez izgub) in zvezni pas rentgenskega sevanja zaradi upo~asnjenih elektronov. Spekter energijske disperzije rentgenskih `arkov je sestavljen iz diskretnih vrhov (~rt) na neintenzivnem ozadju, ki jih programska oprema identificira in kvantificira. Prednost predstavljajo mo`nost avtoma- tizacije, enostavnost kvantifikacije in ve~ vrst vzbujanj (~rte do pribli`no 80 keV pri TEM/STEM), slabost pa je predvsem nizka verjetnost zaznavanja – visok prag zaznavnosti metode (emisije so izotropne, zaznavanje pa poteka le v majhnem obmo~ju kotov in ustreza 1–13 % celotne krogelne sfere). Slaba energijska lo~ljivost lahko ote`i lo~evanje med prekritimi vrhovi. EDXS je najprimernej{a za detekcijo in zaznavanje K- in L-~rt med 1 in 10 keV, kar pomeni, da je tehnika primerna za elemente z atomskim {tevilom nad 11[8]. Moderni TEM-mikroskop lahko nadgradimo z EDXS-analizatorjem za kvantifikacijo. Ob~utljivost analize EDXS pri TEM je vi{ja kot pri SEM, saj rentgenski `arki izvirajo le iz zelo omejene debeline elektronsko presojnega vzorca. Relativna napaka dolo~itve masnega dele`a je pogosto 0,1 %, kar je pribli`no desetkrat ni`je od SEM. STEM-snop pre- mera do 1 nm omogo~a {e vi{je lo~ljivosti rentgen- skega spektra. ^e je pretok elektronov nizek, traja dlje, da se izri{e EDXS-spekter z zadostnim raz- merjem signal:{um. V tem ~asu obstaja nevarnost, da pride do ne`elenega premika vzorca ali snopa, zaradi dolge izpostavljenosti pa lahko v vzorcu nastanejo hude po{kodbe. Mo~an snop elektronov obi~ajno povzro~i difuzijo elementov, ki v~asih vodi do nastanka lukenj. Hitrost difuzije je odvisna od vrste elementa (intenzivna pri alkalijskih ionih), pojav pa kvari zanesljivost rezultatov. Z uporabo snopov razli~nih premerov je smiselno predhodno ugotoviti, ~e difuzija zares poteka. Ker so vzorci tanki, je absorpcija nastalih rentgenskih `arkov praviloma majhna. Koeficient k AB (k-faktor) se izrazi kot k ww II AB BA BA = / / pri ~emer W A in W B predstavljata koncentraciji ele- mentov v vzorcu, I A in I B pa intenziteti karakteristi~nih rentgenskih `arkov za element A in B. Faktor k AB dolo~imo s certificiranim referen~nim materialom. Razmerje intenzitet rentgenskih `arkov je name- njeno dolo~anju razmerja koncentracij v vzorcu. Kadar je vzorec debelej{i ali pa so pozicije ~rt zelo @. PONIKVAR s sodel.: PRINCIPI ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE S POUDARKOM NA PRESEVNI ELEKTRONSKI MIKROSKOPIJI VAKUUMIST 41 (2021) 1–2 33 razli~ne (na primer Fe K in Si K ), lahko t. i. aprok- simacija tanke plasti povzro~i veliko napako. V tem primeru so potrebni dolo~eni popravki zaradi absorpcijskega efekta, ki omogo~ijo to~no kemijsko analizo [9]. Zanimiv primer uporabe STEM je analiza delcev, ki so uporabni kot podlaga za elementarni rutenij, ki nastane s solvotermalno redukcijo Ru 3+ v izopropa- nolu. Rutenijevi delci katalizirajo hidrogeniranje furfurala do furfuril alkohola, reakcija pa poteka s pomo~jo magnetnega segrevanja ferimagnetnih delcev, ujetih v podlago (histerezne izgube) [10]. Prvi korak je sinteza magnetnih nanodelcev `elezovega oksida (maghemit, Fe 2 O 3 ) s koprecipitacijo iz `elezovega(II) in `elezovega(III) sulfata hepta- hidrata iz amonijakalne raztopine. Po hidrotermalni rasti v avtoklavu imajo delci ozko velikostno poraz- delitev, nato pa jih prevle~e s plastjo citronske kisline, kar omogo~a bolj{o stabilnost suspenzije maghemit- nih delcev. Hidroliza prahu AlN v razred~eni vodni suspenziji nanodelcev pri povi{ani temperaturi vodi do nastanka NH 3 in -AlOOH (boehmit), ki obda maghemitne nanodelce: AlN+2H 2 O AlOOH + NH 3 Kristali boehmita se nalo`ijo v obliki plo{~ic. Kompozitni material `gemo 1 h pri 500 °C, kar povzro~i topotakti~no pretvorbo boehmita v -Al 2 O 3 . Morfologija kompozita, prikazanega na sliki 7,s e tekom `ganja ne spremeni. Maghemitni nanodelci velikosti 20 nm se pri povi{ani temperaturi ne pove~ajo, saj jim alumina prepre~uje rast in pretvorbo v hematit. Na BF-sliki maghemitni delci niso dobro vidni, na HAADF-sliki pa so opazni nekoliko bolje kot zelo svetla podro~ja. Na elementni mapi se lepo vidijo podro~ja, ki vsebujejo `elezo znotraj matrice z enakomernim dele`em aluminija (Al 2 O 3 ). Iz zdru`enih elementnih slik je vidna homogena porazdelitev nanodelcev Fe 2 O 3 v matrici Al 2 O 3 [10]. 8.2 Spektroskopija energijske izgube elektronov (EELS) Primarni elektron preda energijo vezanemu (sekun- darnemu) elektronu, kar ga vzbudi iz ni`jega v vi{je energijsko stanje. Primarni elektron torej izgubi energijo, ki je enaka se{tevku ionizacijske in predane kineti~ne energije. EELS je druga pomembna analizna tehnika v okviru TEM/STEM, ki izkori{~a energijske izgube vpadnih elektronov. Pripadajo~i spekter pri- kazuje robove ionizacijskih izgub z ostrim za~etkom, ki se asimptotsko pribli`ujejo ozadju zaradi nastanka sekundarnih elektronov [8]. Kót neelasti~no sipanih elektronov je obi~ajno tako majhen, da njihova smer ostane skoraj enaka tisti, ki jo imajo presevni elektroni pri TEM. Sistem za meritve EELS je sestavljen iz spektrometra z magnetno prizmo, ki razpr{i elektrone z razli~nimi energijami, in enodimenzionalnega niza detektorjev. Magnetne prizme se nahajajo ob dnu TEM-kolone. Posamezne elektrone zazna in izri{e EELS-spekter obi~ajne lo~ljivosti 0,5–1,0 eV. EELS-spektrometri s primerno optiko so uporabni za nastanek slik vzorca pri vnaprej izbranih energijskih izgubah, kar se imenuje ener- gijsko filtrirana TEM (elementna mapa). Izbolj{ani EELS-spektri lo~ljivosti pod 1,0 eV so mogo~i z uporabo monokromatorjev, ki zagotovijo, da imajo elektroni znotraj vpadnega snopa ~im bolj enake energije (torej enake valovne dol`ine) [2,9]. Porazdelitev energije (EELS-spekter) v presevnem snopu za vzorcem nosi informacije o neelasti~nih sipalnih interakcijah v vzorcu. ^e na primer vpadni elektroni interagirajo z elektroni notranjih lupin dolo- ~enih atomov, bo EELS-spekter vseboval absorpcijske robove, ki ustrezajo vzbujanju notranjih elektronov, na podlagi katerih dolo~imo posamezne elemente v vzorcu. S takimi EELS-analizami u~inkovito zaznamo lahke elemente (kot so Li, B, C, N in O), ki jih zaradi {ibkih emisij ni mogo~e dolo~iti z EDXS. Izsevane rentgenske `arke lahko namre~ znatno absorbirajo `e vzorci in detektorji sami. Zaznavamo lahko K-robove z atomskim {tevilom 3