Skripta Speciální diagnostika

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Speciální diagnostika

Garant předmětu:
Doc. Ing. Josef Jirák, CSc.

Autoři textu:
RNDr. Luděk Frank, DrSc.
Doc. Ing. Josef Jirák, CSc.
Ing. Antonín Rek, CSc.
Ing. Zdenka Rozsívalová





2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obsah
1 CHROMATOGRAFIE.................................................................................................... 7
2 OPTICKÁ MIKROSKOPIE......................................................................................... 10
2.1 MIKROSKOPIE ........................................................................................................... 10
2.2 KONSTRUKČNÍ SCHÉMA MIKROSKOPU....................................................................... 10
2.3 CHARAKTERISTICKÉ HODNOTY MIKROSKOPU............................................................ 13
2.4 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVA ......................................................................................... 15
3 ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE............................................................................ 18
3.1 RASTROVACÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE .............................................................. 18
4 RENTGENOVÁ SPEKTRÁLNÍ MIKROANALÝZA............................................... 27
4.1 ÚVOD ........................................................................................................................ 27
4.2 FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ................................................................................................. 27
4.3 VZNIK CHARAKTERISTICKÉHO RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ............................................ 28
4.4 VÝBĚR (SELEKCE) RTG. ZÁŘENÍ PODLE ENERGIE A PODLE VLNOVÉ DÉLKY .............. 31
4.5 KONSTRUKČNÍ USPOŘÁDÁNÍ MIKROANALYZÁTORŮ .................................................. 34
4.6 VYUŽITÍ CHARAKTERISTICKÉHO RTG. ZÁŘENÍ PRO ANALYTICKÉ ÚČELY ................... 35
4.7 ANALYTICKÉ REŽIMY................................................................................................ 37
4.7.1 Bodová analýza ................................................................................................ 37
4.7.2 Přímková (liniová) analýza .............................................................................. 37
4.7.3 Plošná analýza ................................................................................................. 38
4.7.4 Analyzované vzorky.......................................................................................... 38
4.8 DETEKČNÍ MOŽNOST METODY ................................................................................... 39
4.8.1 Detekční možnosti mikroanalytického komplexu JEOL JXA-8600/KEVEX
Delta V, Sesame................................................................................................................ 40
4.8.2 Porovnání ED a VD analýzy ............................................................................ 41
4.8.3 Oblasti použití metody...................................................................................... 42
5 ELEKTRONOVÉ SPEKTROSKOPIE ....................................................................... 43
5.1 ÚVOD, ZÁKLADNÍ POJMY........................................................................................... 43
5.2 ROZPTYL ELEKTRONŮ V PEVNÉ LÁTCE A EMISE ELEKTRONŮ..................................... 44
5.3 AUGERŮV JEV A SPEKTRÁLNÍ ANALÝZA POMOCÍ AUGEROVÝCH ELEKTRONŮ............ 49
5.4 PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA PRO SPEKTROSKOPII AUGEROVÝCH ELEKTRONŮ................ 53
5.5 ZPRACOVÁNÍ ANALYTICKÝCH DAT A ANALYTICKÉ REŽIMY....................................... 56
5.6 SPEKTROSKOPICKÉ ZOBRAZOVÁNÍ ............................................................................ 59
5.7 FOTOELEKTRONOVÉ SPEKTROSKOPIE A JEJICH POUŽITÍ ............................................. 62
5.8 MIKROSKOPIE POMALÝMI ELEKTRONY...................................................................... 63
5.9 SPEKTROSKOPIE ENERGIOVÝCH ZTRÁT ELEKTRONŮ.................................................. 64
5.10 NETRADIČNÍ SPEKTROSKOPICKÉ METODY ................................................................. 67
6 DIAGNOSTIKA A ZKUŠEBNICTVÍ ......................................................................... 71
7 LITERATURA ............................................................................................................... 79

Speciální diagnostika 3
Seznam obrázků
OBR. 2.1 KONSTRUKCE OBRAZU V MIKROSKOPU ...................................................................... 11
OBR. 3.1 PRINCIP RASTROVACÍHO ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU ......................................... 18
OBR. 3.2 SIGNÁLY VZNIKAJÍCÍ PŘI DOPADU ELEKTRONOVÉHO SVAZKU NA POVRCH PEVNÉ
LÁTKY ....................................................................................................................... 18
OBR. 3.3 VELIKOST EXCITOVANÉHO OBJEMU PRO NĚKTERÉ SIGNÁLY...................................... 19
OBR. 3.4 SCHÉMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ ELEKTRONOVĚ OPTICKÉ SOUSTAVY REM (OAC – OBRAZ
APERTURNÍ CLONY) ................................................................................................. 19
OBR. 3.5 VADY ČOČEK ............................................................................................................ 20
OBR. 3.6 ZÁVISLOST PRŮMĚRU STOPY PRIMÁRNÍHO SVAZKU ELEKTRONŮ NA APERTURNÍM
ÚHLU α
P
................................................................................................................... 21
OBR. 3.7 DOSAHY ELEKTRONŮ ................................................................................................ 21
OBR. 3.8 ZÁVISLOST INFORMAČNÍ HLOUBKY ZPĚTNĚ ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ T A DOSAHU
ELEKTRONŮ R NA ENERGII PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ ............................................. 22
OBR. 3.9 ZÁVISLOST CELKOVÉHO KOEFICIENTU EMISE SIGNÁLNÍCH ELEKTRONŮ σ = η + δ NA
ENERGII PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ........................................................................... 22
OBR. 3.10 ENERGIOVÉ ROZLOŽENÍ SIGNÁLNÍCH ELEKTRONŮ................................................... 23
OBR. 3.11 ZÁVISLOST KOEFICIENTU EMISE ZPĚTNĚ ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ η NA
PROTONOVÉM ČÍSLE Z PRO RŮZNÉ ÚHLY DOPADU PRIMÁRNÍHO SVAZKU φ............ 23
OBR. 3.12 ZÁVISLOST KOEFICIENTU EMISE ZPĚTNĚ ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ η NA ENERGII
PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ E................................................................................... 24
OBR. 3.13 ZÁVISLOST KOEFICIENTU EMISE SEKUNDÁRNÍCH ELEKTRONŮ δ NA ÚHLU DOPADU
PRIMÁRNÍHO SVAZKU φ PRO BE A CU .................................................................... 24
OBR. 3.14 ZÁVISLOST KOEFICIENTU EMISE SEKUNDÁRNÍCH ELEKTRONŮ δ NA ENERGII
PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ E PRO RŮZNÉ ÚHLY DOPADU PRIMÁRNÍHO SVAZKU φ.... 25
OBR. 3.15 SCHÉMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ EVERHART-THORNLEYHO DETEKTORU V USPOŘÁDÁNÍ
PRO DETEKCI SEKUNDÁRNÍCH ELEKTRONŮ........................................................... 25
OBR. 3.16 EMISE RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ............................................................................... 26
OBR. 4.1 SIGNÁLY VZNIKAJÍCÍ PŘI DOPADU ELEKTRONŮ NA POVRCH PEVNÉ LÁTKY ................ 27
OBR. 4.2 ROZDÍLY VE VELIKOSTI VYBUZENÉHO OBJEMU (STRUKTURNÍM ROZLIŠENÍ) PRO
JEDNOTLIVÉ SIGNÁLY .............................................................................................. 28
OBR. 4.3 ZÁVISLOST VELIKOSTI OBLASTI ROZPTYLU PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ POD POVRCHEM
VZORKU NA ENERGII PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ A ATOMOVÉM ČÍSLE VZORKU .......... 28
OBR. 4.4 VZNIK CHARAKTERISTICKÉHO RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ ........................................... 29
OBR. 4.5 PŘÍKLAD RTG. SPEKTRA (SPOJITÉ + CHARAKTERISTICKÉ) ......................................... 30
OBR. 4.6 ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA ENERGETICKÝCH POMĚRŮ V ATOMU PŘI JEHO BUZENÍ
A NÁSLEDNÉ EMISI CHARAKTERISTICKÝCH RTG. KVANT ......................................... 31
OBR. 4.7 BLOKOVÉ SCHÉMA ENERGIVĚ DISPERZNÍHO ANALYZÁTORU ..................................... 32
OBR. 4.8 SCHÉMA RENTGENOVÉHO VLNOVĚ DISPERZNÍHO SPEKTROMETRU ............................ 33
OBR. 4.9 DIFRAKCE RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ NA MONOKRYSTALU.......................................... 33
OBR. 5.1 ZÁVISLOST VAZEBNÉ ENERGIE ELEKTRONŮ JEDNOTLIVÝCH SLUPEK NA ATOMOVÉM
ČÍSLE PRVKU............................................................................................................ 44
OBR. 5.2 DIFERENCIÁLNÍ ÚČINNÉ PRŮŘEZY PRO PRUŽNÝ ROZPTYL ELEKTRONŮ RŮZNÝCH
ENERGIÍ, VYPOČTENÉ METODOU ROZKLADU DO PARCIÁLNÍCH VLN.......................... 45
OBR. 5.3 ENERGIOVÁ ZÁVISLOST STŘEDNÍ VOLNÉ DRÁHY PRO PRUŽNÝ ROZPTYL (EMFP),
VYPOČTENÁ PRO NĚKOLIK PRVKŮ A SLOUČENIN........................................................ 45
OBR. 5.4 VYPOČTENÉ CELKOVÉ ÚČINNÉ PRŮŘEZY PRO NEPRUŽNÝ ROZPTYL ( ) A JEJICH
PŘÍSPĚVKY OD EXCITACE UVNITŘ VODIVOSTNÍHO PÁSU (-⋅ -⋅ -), IONIZACE VNITŘNÍCH
HLADIN (-----) A EXCITACE PLASMONŮ (-⋅⋅ -⋅⋅ )......................................................... 46
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

OBR. 5.5 SOUBOR NAMĚŘENÝCH HODNOT IMFP PRO RŮZNÉ MATERIÁLY A EMPIRICKÁ KŘIVKA
.......................................................................................................................................... 46
OBR. 5.6 PŮVOD SIGNÁLŮ BUZENÝCH KOLMÝM DOPADEM ELEKTRONOVÉHO SVAZKU A JEJICH
INFORMAČNÍ HLOUBKY............................................................................................ 46
OBR. 5.7 ENERGIOVÉ SPEKTRUM ELEKTRONOVÉ EMISE BUZENÉ DOPADEM ELEKTRONŮ
O ENERGII EU........................................................................................................... 47
OBR. 5.8 CELKOVÝ VÝTĚŽEK ELEKTRONŮ σ JAKO FUNKCE ENERGIE PRIMÁRNÍCH ELEKTRONŮ
PRO RŮZNÉ VZORKY ................................................................................................ 48
OBR. 5.9 SAMOVOLNÁ ZMĚNA ENERGIE DOPADU ELEKTRONŮ VLIVEM KLADNÉHO NABÍJENÍ
VZORKU................................................................................................................... 48
OBR. 5.10 SCHÉMA PROCESU EMISE......................................................................................... 50
OBR. 5.11 PRAVDĚPODOBNOST ZÁŘIVÉ DEEXCITACE ω PO IONIZACI NA JEDNOTLIVÝCH HLADINÁCH
K, L A M. ............................................................................................................... 50
OBR. 5.12 ENERGIE AUGEROVÝCH ELEKTRONŮ E
WXY
V ZÁVISLOSTI NA ATOMOVÉM ČÍSLE .... 50
OBR. 5.13 PŘIBLIŽNÉ HODNOTY FAKTORŮ RELATIVNÍ CITLIVOSTI PRO HLAVNÍ ČÁRY
V DERIVOVANÝCH SPEKTRECH PRVKŮ.................................................................. 51
OBR. 5.14 ČÁST KATALOGU VYPOČTENÝCH SILNÝCH ČAR AE ................................................ 52
OBR. 5.15 NAMĚŘENÉ SPEKTRUM ŽELEZA; FAKTORY X A Y UDÁVAJÍ RELATIVNÍ ROZTAŽENÍ
VODOROVNÉ A SVISLÉ STUPNICE .......................................................................... 52
OBR. 5. 16 NAMĚŘENÁ SKUPINA ČAR SI LMM PRO ČISTÝ KŘEMÍK A KŘEMÍK V OXIDU
A NITRIDU............................................................................................................ 53
OBR. 5. 17 SCHÉMATA ENERGIOVÝCH ANALYZÁTORŮ VYUŽÍVAJÍCÍCH BRZDNÉ POLE;............ 53
OBR. 5.18 NEJROZŠÍŘENĚJŠÍ TYPY DISPERZNÍCH ELEKTROSTATICKÝCH ANALYZÁTORŮ PRO
SÉRIOVÉ MĚŘENÍ SPEKTRA.................................................................................... 54
OBR. 5.19 ŘEZ STEM SE SPEKTROMETREM AE....................................................................... 55
OBR. 5.20 (VPRAVO) ŘEZ AUGEROVOU MIKROSONDOU........................................................... 55
OBR. 5.21 ANALYZÁTOR S HYPERBOLICKÝM POLEM (HFA) S TRAJEKTORIEMI ELEKTRONŮ
RŮZNÝCH ENERGIÍ ................................................................................................. 56
OBR. 5.22 TŘÍROZMĚRNÝ KRYSTAL AG NA KŘEMÍKU .............................................................. 60
OBR. 5.23 RELATIVNÍ ZESÍLENÍ ŠUMU F
X
PŘI ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU ALGORITMEM X ............ 61
OBR. 5.24 SCHÉMA FOTOEMISE ELEKTRONU Z VNITŘNÍ HLADINY ............................................ 62
OBR. 5.25 (VLEVO). FOTOEMISNÍ SPEKTRA POLYALKYLAKRYLÁTŮ PRO NEJNIŽŠÍ ELEKTRONOVÉ
HLADINY ............................................................................................................... 62
OBR. 5.26 RŮST KRYSTALŮ CU
3
SI NA SI (111); SNÍMEK Z FOTOEMISNÍHO MIKROSKOPU ......... 62
OBR. 5.27 PŘÍKLADY RŮSTU VRSTEV NA POVRCHU KRYSTALU ................................................ 63
OBR. 5.28 HLAVNÍ TYPY ENERGIOVÝCH ZTRÁT .......................................................................... 64
OBR. 5.29 SPEKTROMETR PRO PARALELNÍ ZÁZNAM SPEKTRA.................................................. 65
OBR. 5.30 STEM S EELS........................................................................................................ 65
OBR. 5.31 FILTRY .................................................................................................................... 66
OBR. 5.33 MIKRO-DVOJČATĚNÍ KRYSTALŮ V EPITAXIÁLNÍ VRSTVĚ AG NA NACL .................. 66
OBR. 5.32 (VLEVO) ŘEZ ZOBRAZUJÍCÍM FILTREM .................................................................... 66
OBR. 5.34 KERAMIKA SI
3
N
4
S PŘÍDAVKEM MGO..................................................................... 67
OBR. 5.35 KOPOLYMER POLYETHYLENU A POLYPROPYLENU STÍNOVANÝ OXIDEM RUTHENIA 67
OBR. 5.36 SIMULOVANÁ SPEKTRA BSE Z VRSTEVNATÝCH STRUKTUR CU/AL PRO KOLMÝ
DOPAD ELEKTRONŮ ............................................................................................... 68
OBR. 5.37 SCHÉMA VÝVOJE ENERGIOVÉHO ROZDĚLENÍ BSE................................................... 68
OBR. 5.38 MAPOVÁNÍ SPODNÍHO ROZHRANÍ POVRCHOVÉ VRSTVY POMOCÍ POLOHY A VÝŠKY
MAXIMA ENERGIOVÉHO ROZDĚLENÍ BSE PODLE OBR. 37...................................... 69
OBR. 5.39 ČÁROVÉ PŘEBĚHY ................................................................................................... 69
Speciální diagnostika 5
OBR. 5.40 (VPRAVO). CELKOVÝ SIGNÁL RTG ZÁŘENÍ JAKO ÚHRN SPOJITÉHO
A CHARAKTERISTICKÉHO ZÁŘENÍ V ZÁVISLOSTI NA ATOMOVÉM ČÍSLE ................. 70
Seznam tabulek
TABULKA 5.1 CELKOVÝ ÚČINNÝ PRŮŘEZ PRUŽNÉHO ROZPTYLU Σ
EL
, EMFP Λ
EL
, CELKOVÁ STŘEDNÍ
VOLNÁ DRÁHA Λ
T
= Λ
EL
/ (Ν+1), KDE Ν = Σ
IN
/ Σ
EL
, A ELEKTRONOVÝ DOLET R PRO
RŮZNÉ PRVKY A ENERGIE ELEKTRONŮ MEZI 1 A 50 KEV....................................... 47

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Studijní program: Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika
Studium: Bakalářské
Studijní obor: Mikroelektronika a technologie
Název předmětu: Speciální diagnostika
Garantující ústav: Elektrotechnologie
Garant: Doc. Ing. Josef Jirák, CSc.
Rozsah předmětu: 2/2 (52 hod), z toho: přednášky 26 hod
Kredity: 8 cvičení 26 hod
P N L C O hod kredit garant
26 0 15 0 0 4 5 UETE
Anotace:
Speciální diagnostika (BSDG)
3B3 – V – 4/5 – zk - UETE
Metody optické, transmisní elektronové a rastrovací elektronové mikroskopie. Fyzikální základy, funkce
a konstrukce přístrojů, detekční systémy, zpracování signálů, příprava vzorků pro pozorování. Spektroskopické
metody, elektronová spektroskopie. Rentgenová mikroanalýza. Chromatografické metody. Metody magnetické
rezonance. Diagnostika a zkušebnictví,organizace zkušebnictví v ČR.
Osnova:
1. Diagnostika, cíle diagnostiky. Přehled diagnostických metod. Výběr metod pro stanovení struktury a
složení diagnostikovaného objektu.
2. Metody optické mikroskopie. Příprava vzorků pro pozorování. Pozorování v odraženém a procházejícím
světle. Vyhodnocení informací o pozorovaném objektu.
3. Charakteristické hodnoty mikroskopu. Optická pozorování v polarizovaném světle a metodu fázového
kontrastu. Metody stanovení tloušťky tenkých vrstev.
4. Rastrovací elektronová mikroskopie. Interakce primárních elektronů s pevnou látkou, dosah elektronů.
Požadavky na vzorek, metody přípravy vzorků.
5. Detekované signály v rastrovací elektronové mikroskopii, informační objem. Detektory, zpracování
signálu.
6. Informace o detekovaných objektech získané na základě detekce jednotlivých typů signálů. Metody
napěťového a magnetického kontrastu, EBIC/EBIV.
7. Speciální metody rastrovací elektronové mikroskopie, nízkoenergiová rastrovací elektronová mikroskopie,
environmentální rastrovací elektronová mikroskopie.
8. Transmisní elektronová mikroskopie, meze rozlišení. Přehled metod, poskytované informace. Požadavky
na vzorky, příprava vzorků.
9. Přehled metod pro analýzu a zobrazení povrchů s ohledem na defektoskopii polovodičových prvků. SIMS,
mikroskopie s rastrující sondou, spektroskopie Augerových elektronů.
10. Rentgenová mikroanalýza s energiově a vlnově disperzním mikroanalyzátorem. Bodová a plošná
mikroanalýza, metodika vyhodnocení naměřených spekter.
11. Plynová chromatografie, vyhodnocení chromatogramů, využití v technické praxi. Metoda GDOES,
stanovení chemického složení a koncentračního profilu.
12. Metoda MR spektroskopie a tomografie. Přístrojové vybavení.
13. Měření MR obrazů a spekter. Aplikace MR diagnostice materiálů.
Speciální diagnostika 7
1 Chromatografie
Chromatografie → metody preparativní a analytické separace plyn ů, kapalin a v nich
rozpuštěných látek v heterogenních soustavách složených ze dvou fází (účinná dělicí metoda
v analytické i preparativní chemii, zejména organické). Dělené složky směsi se distribuují
mezi stacionární (nepohyblivou) fází tvořící lože chromatografické kolony a mezi fází
mobilní (pohyblivou), která plynule pomalu protéká jedním směrem tímto ložem a unáší
složky směsi různou rychlostí podle hodnoty distribučního koeficientu jednotlivých složek.
koncentrace složky ve stacionární fázi
Distribuční koeficient = -----------------------------------------------------------
koncentrace složky v mobilní fázi (v rovnováze)
Kolony se plní jemným, stejnoměrně zrnitým práškovým materiálem s charakteristickou
povrchovou vrstvou stacionární fáze, která může mít povahu
– adsorbentu → adsorp ční chromatografie
– měniče iontů → chromatografie na m ěničích iontů
– gelu s definovanými mikropóry → gelová chromatografie
– tenkého kapalného filmu → rozd ělovací chromatografie
Úplného rozdělení složek směsi se dosahuje tzv. elučním vyvíjením chromatogramu → na
vrch kolony se vnese malý objem směsi a plynule konstantní rychlostí se připouští do kolony
mobilní fáze, kterou je buď
– plyn → plynová chromatografie
– kapalina → kapalinová chromatografie
Mobilní fáze unáší jednotlivé složky směsi různou rychlostí, jsou –li různě zadržovány
stacionární fází (různé hodnoty distribučních koeficientů). Z kolony vystupují složky více
nebo méně oddělené v eluátu. Umístí-li se na konci kolony vhodný detektor, lze zaregistrovat
vnější chromatogram, tj. záznam závislosti okamžité (dynamické) koncentrace každé složky
na době eluace či objemu mobilní fáze.
Dvě látky jsou tím lépe odděleny, čím