Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Eksperyment i stacje końcowe

Wyposażenie linii eksperymentalnej stanowią dwie stacje końcowe, zainstalowane na dwóch gałęziach pomiarowych:

  • Skaningowy transmisyjny mikroskop rentgenowski (STXM - ang. Scanning Transmission X-ray Microscope)
  • Fotoemisyjny mikroskop elektronowy (PEEM - ang. PhotoEmission Electron Microscope).

Jedną z niezależnych gałęzi linii DEMETER jest gałąź ze stacją końcową PEEM. Gałąź ta oprócz wyżej opisanej optyki posiada dodatkowe elementy - parę zwierciadeł (cylindryczne i eliptyczne) w geometrii Kirkpatrick-Baez (KB), które skupiają wiązkę do rozmiarów 12 x 36 µm2 na próbce w mikroskopie PEEM. 

Fotoemisyjna mikroskopia elektronowa (PEEM) to specjalistyczna technika spektro-mikroskopii elektronowej, która doskonale sprawdza się w badaniu morfologii, właściwości elektronowych i chemicznych oraz struktury magnetycznej powierzchni, materiałów cienkowarstwowych jak i mikrostruktur powierzchniowych z rozdzielczością przestrzenną w skali nanometrowej. 

Mikroskopia ta w połączeniu z właściwościami promieniowania synchrotronowego (dostrajanie energii, wybór polaryzacji) pozwala na implementację istotnych dla badania powierzchni technik spektroskopowych jak absorpcyjna spektroskopia promieniowania rentgenowskiego XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) wraz z jej odmianami opartymi o efekt kołowego i liniowego magnetycznego dychroizmu, XMCD i XMLD, a także spektroskopii fotoemisyjnych jak XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy) czy rentgenowska dyfrakcja fotoelektronowa XPD (X-ray Photoelectron Diffraction). 

Mikroskop PEEM należy do rodziny mikroskopów katodowych (cathode lens microscopy), w którym próbka stanowi część obiektywu pełniąc rolę katody emitującej elektrony. Jako źródło wzbudzenia w mikroskopie PEEM wykorzystywane jest miękkie promieniowanie X pochodzące z undulatora. Promieniowanie pada na próbkę pod kątem 16º, co schematycznie przedstawiono na rysunku. 

Próbka oświetlana wiązką fotonów emituje elektrony, które po przejściu przez kolumnę obrazującą tworzą obraz rejestrowany przez układ detekcyjny. Zainstalowany na linii mikroskop SPE-PEEM III firmy Elmitec należy do grupy mikroskopów nieskanujących, w którym zastosowana jest typowa optyka elektronowa złożona z soczewek elektromagnetycznych (obiektywu, soczewki transferującej, zestawu soczewek pośrednich oraz projektorowych), deflektorów, stygmatorów oraz apertur. 

Optyka elektronowa przystosowana jest do pracy z elektronami wysokoenergetycznymi, stąd elektrony emitowane z próbki (które są elektronami niskoenergetycznymi), przed wejściem do kolumny obrazującej zostają przyspieszone w polu elektrycznym pomiędzy próbką a obiektywem do energii 15keV, gdzie próbka znajduje się na potencjale ujemnym. 

W kolumnie obrazującej zainstalowany jest hemisferyczny analizator energii, w obszarze którego podróżujące elektrony spowalniane są lokalnie do energii ok. 1kV. Obecność analizatora jak i sama konstrukcja mikroskopu sprawia, że okno energetyczne transferowanych elektronów jest bardzo wąskie i wynosi ok 10eV. Elektrony w kolumnie obrazującej poruszają się zawsze z tą sama energią (ok.+/-5eV) niezależnie od początkowej energii emitowanych elektronów. Wybór elektronów o interesującej energii dokonywany jest poprzez przyłożenie do próbki dodatkowego, dodatniego potencjału (Start Voltage). Układ detekcyjny obrazu składa się z dwustopniowego wzmacniacza mikrokanałowego elektronów, zintegrowanego z ekranem fluorescencyjnym. Powstały na ekranie obraz rejestrowany jest przez kamerę CCD

Mikroskop może pracować w trzech trybach: obrazującym, dyfrakcyjnym oraz dyspersyjnym, w których, odpowiednio, obrazowane są płaszczyzna obrazowa obiektywu (obraz przestrzennego rozkładu intensywności elektronów), płaszczyzna dyfrakcyjna obiektywu (obraz kątowego rozkładu elektronów) oraz płaszczyzna dyspersyjna analizatora (obraz energetycznego rozkładu elektronów w oknie 10eV).  

W spektro-mikroskopii PEEM wykorzystywane są dwa typy fotoelektronów: tych powstających w procesie fotoemisji (elektronów pierwotnych) oraz elektronów wtórnych, generowanych lokalnie w procesie absorpcji promieniowania X.  

Przy zastosowaniu spolaryzowanej wiązki fotonów (kołowo, liniowo), połączenie spektroskopii absorpcyjnej kontrastu chemicznego z efektami dichroicznymi (XMCD i XMLD) do obrazowania materiałów magnetycznych, pozwala na uzyskanie kontrastu magnetycznego. Ten tryb pracy umożliwia obrazowanie domen ferro- i antyferromagnetycznych. Serie obrazów w funkcji energii fotonów stanowi podstawę dla spektroskopii XMCD oraz XMLD. 

W pozostałych trybach pracy mikroskopu, zastosowanie mają elektrony powstające w fotoemisji. W trybie dyfrakcyjnym można obserwować obrazy dyfrakcyjne fotoelektronów XPD czyli ich kątowy rozkład przy zadanej energii. Serie takich obrazów w funkcji energii stanowią podstawę dla spektroskopii ARPES. Warto zwrócić uwagę na fakt, że dla danej energii obrazowane są wszystkie kierunki (dostępne strefy Brillouina) jednocześnie. 

Tryb dyspersyjny pracy mikroskopu pozwala na szybkie obrazowanie energetycznego rozkładu fotoelektronów w jednym ujęciu. Szerokość widma wynosi około 10 eV z rozdzielczością nawet poniżej 0.15 eV. 

Należy dodać, że w trybach pracy dyfrakcyjnym oraz dyspersyjnym obrazowany obszar próbki ograniczany jest przy pomocy apertury umieszczonej w płaszczyźnie obrazowej do rozmiaru 2-5um stąd stosowane spektroskopie zyskują przedrostek mikro: µ-XPD, µ-ARPES, µ-XPS

Rozdzielczość energetyczna w trybie fotoemisji wynika z rozdzielczości analizatora energii elektronów (poniżej 0.15 eV) i stopnia monochromatyczności wiązki promieniowania X (czynnik zwykle pomijalny w porównaniu z rozdzielczością analizatora). W trybie absorpcji rentgenowskiej rozdzielczość energii jest określana wyłącznie przez moc rozdzielczą wiązki E/ΔE, która może sięgać 8000 w całym zakresie energii fotonów. 

W standardowych warunkach pracy próbka znajduje się na wysokim potencjale 15 kV i 2mm od obiektywu. Dla specjalnych próbek i / lub uchwytów na próbki o podwyższonym ryzyku wyładowania, takich jak próbki np. izolatorów, powierzchnie intensywnie odgazowujące itp., dostępny jest tryb zredukowanego pola elektrycznego (10 kV przy tej samej odległości roboczej 2 mm).

Schemat fotoemisyjnego mikroskopu elektronowego PEEM

Rys. 1 (a) Schemat fotoemisyjnego mikroskopu emisyjnego PEEM, (b) Elmitec III PEEM w Centrum SOLARIS.

Aparatura

Głównym elementem stacji jest mikroskop fotoemisyjny PEEM III z analizatorem energii firmy Elmitec. Próbki mocowane są na specjalnych uchwytach

Bezpośrednio do mikroskopu dołączona jest komora preparacyjna standardowo wyposażona w: 

  • śluzę próżniową do ładowania próbek; 
  • spektrometr LEED/AES; 
  • źródło par metali (Fe, Co, Au, Ni) i MgO kontrolowane wagą kwarcową; 
  • działo jonowe z szeroka wiązką (Ar); 
  • układ dozowania tlenu; 
  • typowe monokrystaliczne podłoża. 

Wymagania dla próbek

  • kompatybilne z UHV; 
  • płaskie; 
  • nie powinny się ładować w czasie oświetlania promieniowaniem X; 
  • średnica < 14 mm, wysokość < 3 mm. 

Warunki obrazowania

  • głębokość próbkowania rzędu kilku nanometrów; 
  • czas zbierania obrazu od milisekund do kilkudziesięciu minut; 
  • pole widzenia 5 μm - 150 μm; 
  • temperatura próbki 100 K - 1200 K (300 K - 2000 K w komorze preparacyjnej); 
  • maksymalne ciśnienie obrazowania ~ 1*10-6 mbara. 

Mikroskop PEEM

Geometria pomiaru

Kąt padania promieniowania synchrotronowego na próbkę jest stały i wynosi 16 stopni. Próbka może być obracana o 360 stopni wokół osi normalnej do powierzchni próbki (azymut). 

Geometria pomiaru na stacji końcowej PEEM

Drugą gałąź linii DEMETER stanowi skaningowy transmisyjny mikroskop rentgenowski (STXM). Skaningowa mikroskopia rentgenowska to metoda polegająca na uzyskiwaniu mikroskopowego obrazu próbki (skanowanej rastrowo) poprzez detekcję intensywności promieni rentgenowskich transmitowanych przez próbkę. 

Schemat skaningowego mikroskopu transmisyjnego STXM

Jednym z głównych elementów mikroskopu STXM jest tzw. płytka strefowa, w literaturze znana jako Fresnel zone plate (FZP), której zadaniem jest skupianie monochromatycznej wiązki fotonów dostarczanej przez synchrotron. Po przejściu przez soczewkę Fresnela, promieniowanie przechodzi przez aperturę (OSA), która służy do wyboru prążków dyfrakcyjnych odpowiedniego rzędu (Attwood 1999). Niezogniskowana wiązka zerowego rzędu jest zatrzymywana przez aperturę OSA oraz centralny dysk umieszczony na soczewce FZP. Próbka znajduję się w ogniskowej soczewki Fresnela i jest od niej oddalona, zależnie od energii fotonów, od kilku do kilkunastu mm. W trakcie pomiarów próbka jest skanowana rastrowo za pomocą skanera piezoelektrycznego X-Y, jednocześnie jej pozycja jest monitorowana przy użyciu laserowych czujników interferometrycznych. 

Do detekcji sygnału w STXM bardzo często używa się szybkiej, niskoszumowej fotodiody lawinowej (APD). W przypadku słabych sygnałów konieczne jest zastosowanie fotopowielacza (PMT), który potrafi zliczać nawet pojedyncze fotony powstałe przez wzbudzenie odpowiedniego scyntylatora promieniami rentgenowskimi, które przeszły przez badaną próbkę. Zaawansowana elektronika sterująca mikroskop, oparta na układach FPGA, pozwala na szybkie skanowanie również z możliwością wyboru czasu oczekiwania na każdym pikselu. 


Ze względu na absorpcję miękkiego promieniowania X w powietrzu zasadniczo cała optyka STXM powinna znajdować się w próżni. Dla próbek, których nie można umieścić w próżni możliwe jest zastosowanie atmosfery czystego helu (He) lub szczelne umieszczenie próbki pomiędzy dwoma membranami (tzw. „sandwich”). Komora STXM zawierająca elementy od FZP do detektora jest oddzielona od linii synchrotronowej cienkim okienkiem membranowym z azotku krzemu Si3N4 co pozwala  na szybką wymianę próbek i łatwy powrót do warunków pomiarowych. 

 

Próbki badane przez STXM nie powinny być zbyt grube (brak transmitowanych sygnałów) lub zbyt cienkie (brak znaczącej absorpcji). Optymalnie próbka powinna mieć gęstość optyczną OD = ln(I0 / I ) ≈ 1 na docelowej energii fotonów. W tym celu próbki badane w mikroskopie STXM są często przygotowywane poprzez naniesienie cząstek na membrany z azotku krzemu lub siatki (TEM grids). Większe próbki są zwykle dzielone na sekcje przy użyciu mikrotomów lub skupionej wiązki jonów FIB (Focused Ion Beam). 


Rozdzielczość lateralna w mikroskopie STXM, tj. rozmiar ogniskowania promieni rentgenowskich w płaszczyźnie próbki wynosi zwykle 20–100 nm. Jest ona zasadniczo określona przez granicę dyfrakcji wytwarzanych litograficznie soczewek Fresnela (FZPs). 


Najważniejszym trybem pomiaru w STXM jest „stos obrazów” (image stack) - zbierany jest szereg obrazów w funkcji energii fotonów w celu uzyskania zestawu danych z wymiarami przestrzeni (XY) i energii (E). Z zestawu danych można uzyskać lokalne spektrum absorpcyjne co pozwala na precyzyjną analizę składu chemicznego danej próbki. 


Dodatkową zaletą mikroskopu STXM pracującego na undulatorze są eksperymenty wykorzystujące zmienną polaryzację fotonów - metoda taka jak XMCD lub XMLD. W mikroskopie PEEM takie eksperymenty są możliwe, ale w mikroskopie STXM bada się wyłącznie cienkie warstwy. Jednym z przykładów jest cienka warstwa Nd-Fe-B (magnes trwały). Obraz domen magnetycznych uzyskuje się poprzez wyznaczenie współczynnika asymetrii A = (IL - IR) / (IL + IR) z kolejno otrzymywanych obrazów powstałych z oświetlania próbki fotonami o polaryzacji lewo- i prawo- skrętnej. 

 

Aparatura

Transmisyjny skaningowy mikroskop rentgenowski (STXM) został zaprojektowany i zbudowany w ścisłej współpracy z dr. Tolkiem Tyliszczakiem (Advanced Light Source, Berkeley, USA), jako stacja końcowa umożliwiająca pomiary metodą wykorzystującą subtelną strukturę blisko progu absorpcji promieniowania X (NEXAFS). Ta metoda spektroskopowa zapewnia czułość chemiczną, a także wrażliwość na efekty polaryzacyjne związane ze strukturą magnetyczną i krystaliczną materiałów wykorzystujących efekty XMCD oraz XMLD. Budowa i parametry tego mikroskopu umożliwiają uzyskiwanie informacji o właściwościach chemicznych materiałów w skali od kilkudziesięciu nm do kilku mm. 

Metoda pomiaru

Podstawową techniką pomiaru jest zbieranie obrazów transmisyjnych w funkcji energii fotonów miękkiego promieniowania X. Możliwe są także pomiary absorpcji w jednym punkcie lub wzdłuż ustalonej linii. Dla stosunkowo grubych próbek lub zamiennie o bardzo niskiej koncentracji danego pierwiastka, możliwe jest użycie detektora fluorescencyjnego (z niższą rozdzielczością i dłuższym czasem pomiaru). 

Geometria pomiaru

Standardowo próbki są skanowane w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki padającego promieniowania X (geometria prostopadła). W szczególnych przypadkach jest możliwość umieszczenia próbki pod kątem innym niż 90º (max. +/- 45º). 

Wymagania dla próbek

 

  • Próbki powinny być dostatecznie cienkie, aby zapewnić minimum 5% transmisję miękkiego promieniowania X (w wymaganym zakresie energii). 
  • Próbki powinny zapewniać możliwość umieszczenia ich na membranach Si3Nlub siatkach TEM-grid. Zalecana grubość membrany od 50-200nm (zależnie od wymaganego zakresu energii, sposobu i rodzaju badanej substancji). 
  • Prężność par próbek musi być mniejsza niż minimalny zakres ciśnienia wymaganego podczas ich pomiaru. 
  • Standardowy rozmiar ramki wynosi 5,0x5,0mm (kwadrat) lub fi=5,0mm (koło). Minimalny rozmiar ramki wynosi odpowiednio 2,5x2,5mm lub fi=3,0mm. Maksymalny rozmiar próbki jest ograniczony do 19x10mm (HxV). W tym przypadku próbka będzie mogła być skanowana jedynie w 8 polach o średnicy 2,5mm. Grubość próbki: max. 1,0mm.
  • W przypadkach szczególnych jest mozliwość zastosowania innego uchwytu dla próbek (konieczny kontakt i uzgodnienie z obsługą mikroskopu). 
  • Zobacz standardową płytkę Al dla nośników próbek

 

Warunki eksperymentu (obrazowania)

  • możliwość stosowania atmosfery gazowej: He, Ar, O2, N2, CO2 
  • zakres ciśnień: od 1e-7 mbar do 1100mbar (standardowe warunki obrazowania: w atmosferze He w zakresie ciśnień od 10mbar do1000mbar).
  • zakres temperatur: obecnie mozliwe pomiary tylko w temperaturze pokojowej (RT)
  • max. pole widzenia: +/-50µm2 (piezo stage), +/-1,25mm(linear stage)
  • mozliwość zamontowaniua do 8 próbek

Wyposażenie obecnie dostępne

 

  • detektory: fotopowielacz (PMT), fotodioda lawinowa (APD)
  • detektor fluorescencyjny (SDD) - Amptek X123 Fast SSD detector – czuły na fotony od ok. 200 eV (tylko w trybie „Expert Commissioning Access”). 
  • system komórki elektrochemicznej dla cieczy i gazów z firmy Hummingbird Scientific (tylko w trybie „Expert Commissioning Access”).

 

W trakcie wrdożenia

  • pomiary z użyciem sterowanego zewnętrznego pola magnetycznego
  • możliwość sterowania geometrią pomiaru (kąta padania)
  • system komórki elektrochemicznej dla zawiesin lub ciał stałych
  • system komórki środowiskowej z możliwością grzania (RT-475K)
  • detektor sCMOS 4Mpx

 

Zdjęcie 1_STXM

 

Zdjęcie 2_STXM