eng
Выпуск #2/2015
О.Холлрихтер, У.Шмидт, С.Бройнингер
Комбинация конфокальной рамановской и растровой электронной микроскопии
Комбинация конфокальной рамановской и растровой электронной микроскопии
Просмотры: 5156
Все более широкое применение в исследованиях находят комбинации РЭМ и рамановской спектроскопии (РС). Последняя дает возможность изучать молекулярную структуру вещества.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.50.57
DOI:10.22184/1993-8578.2015.56.2.50.57
Теги: energy-dispersive x-ray spectroscopy raman spectroscopy scanning electron microscopy рамановская спектроскопия растровая электронная микроскопия энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия
Обычное сочетание РС и РЭМ позволяет получать по одному рамановскому спектру для каждого положения образца без создания конфокальных рамановских изображений. Новая корреляционная технология RISE (Raman imaging and scanning electron – получение рамановских изображений и сканирование электронным пучком) впервые позволила сочетать в одном приборе (рис.1) РЭМ и конфокальную рамановскую микроскопию (КРМ). Ниже рассмотрены основные особенности новой комбинированной технологии и примеры ее практического применения.
Технологии и оборудование
РЭМ характеризуется высоким разрешением, позволяя исследовать топографию и морфологию материалов. Для получения изображения поверхность образца сканируется сфокусированным высокоэнергетическим пучком электронов с фиксацией датчиком отраженных и вторичных электронов. Вторичные электроны дают информацию о морфологии и топографии образца, обратноотраженные электроны – об однородности структуры. Разрешение РЭМ составляет около 1 нм [1].
КРМ базируется на спектроскопическом анализе молекулярной структуры образца. РС может применяться для исследования твердых, жидких и газообразных объектов. Эффект комбинационного рассеяния проявляется при взаимодействии света с химическими связями в материале. Колебания в химических связях вызывают изменение частоты энергии отраженного излучения, которое определяется специфическим для каждого химического вещества рамановским спектром. Комбинационное рассеяние, как правило, имеет низкую интенсивность, поэтому для получения рамановского спектра требуются высокочувствительные приборы. Помимо идентификации химических компонентов образца, РС позволяет измерять их количество, определять характеристики напряженно-деформированного состояния и кристалличности. В частности, по пиковой интенсивности комбинационного рассеяния можно оценивать относительное количество конкретного химического соединения, сдвиг пика указывает на напряженно-деформированное состояние, а ширина пика свидетельствует о степени кристалличности или аморфности вещества [2, 3, 4].
КРМ объединяет РС с конфокальной оптической микроскопией. В режиме КРМ образец сканируется последовательно, точка за точкой и линия за линией, причем датчик получает информацию только из фокальной плоскости оптической системы. Благодаря этому для каждой сканированной точки собирается спектроскопическая информация о химических компонентах. Конфокальные рамановские микроскопы обеспечивают пространственное разрешение, ограниченное только дифракционным пределом световых волн, и характеризуются хорошим разрешением по глубине, что позволяет получать трехмерные изображения и глубинные профили [5].
Корреляционная технология RISE, объединяющая КРМ и РЭМ, разработана немецкой компанией WITec и чешским холдингом Tescan Orsay. В приборах, реализующих эту технологию, конфокальный рамановский микроскоп интегрирован в вакуумную камеру электронного микроскопа. Измерения выполняются последовательно в двух различных позициях с автоматическим перемещением образца. Калибровка его позиции позволяет сканировать одну и ту же область в обоих режимах. В режиме КРМ используется объектив 100×/0.75 фирмы Zeiss. Специальное программное обеспечение RISE служит для управления настройкой прибора и обработки результатов, включая корреляционный анализ и наложение изображений КРМ и РЭМ.
Подготовка экспериментов
Первый исследуемый объект – графеновая пленка, нанесенная на кремниевую пластину методом химического осаждения из паровой фазы, – был установлен в камеру прибора для измерения в режиме высокого вакуума без дополнительной пробоподготовки (в частности, без нанесения дополнительного проводящего углеродного или золотого покрытия). Графеновая пленка состояла из нескольких слоев, каждый толщиной в один атом. Для исследования настолько тонких покрытий целесообразно использовать режим вторичных электронов, так как они характеризуются малой глубиной проникания, что обеспечивает лучший контраст изображения.
Второй исследуемый объект – раствор полимеров – был получен из полиметилметакрилата (ПММА) и полистирола (ПС), растворенных в толуоле (10 мг полимера в 1 мл толуола). При приготовлении образца 2 мл раствора ПММА было смешано с 1 мл раствора ПС. Капля раствора была помещена на стекло и высушена при комнатной температуре. После испарения растворителя на поверхности стекла образовалась полимерная пленка толщиной в несколько сотен нанометров, и образец был помещен в вакуумную камеру прибора. Исследовать такой образец без нанесения специальных покрытий целесообразно при низком ускоряющем напряжении и в специальной атмосфере, например в азоте. Это еще одно отличие комбинации РЭМ-КРМ от РЭМ-ЭДС, так как для эмиссии рентгеновского излучения требуются высокие ускоряющие напряжения. РЭМ-исследование выполняется в режиме вторичных электронов, которые рассеиваются преимущественно упруго, причем тяжелые атомы отклоняют больше электронов, что обеспечивает более сильный сигнал.
Исследование графеновой пленки
Графеновые пленки состоят из стабильных молекул с высокой тепло- и электропроводностью. Эти свойства графена обуславливают высокий интерес к его использованию в электронике, фотовольтаике и разработке новых материалов.
РЭМ-исследование участка размером 12 × 12 мкм выявило дефекты графеновой структуры, в частности, морщины и наслоения (рис.2а). Дальнейшее исследование дефектов проводилось методом КРМ, так как применение ЭДС нецелесообразно из-за малой толщины пленки, не обеспечивающей эмиссию рентгеновского излучения достаточной силы. Гиперспектральные данные, содержащие информацию о тысячах спектров комбинационного рассеяния, были проанализированы с помощью ПО RISE, которое выявило основные спектральные компоненты. Полученные спектры комбинационного рассеяния предоставили дополнительную информацию об исследуемой графеновой пленке, в частности, различия в ширине и высоте пиков спектров характеризовали дефекты структуры. Например, разная высота пика
D�
на рис.2b свидетельствует о различии свойств нескольких графеновых слоев. Изображение размером 90 × 90 точек (8,1 тыс. спектров комбинационного рассеяния) было получено менее чем за 7 мин. На рис.2с представлен результат объединения полученной информации путем совмещения РЭМ- и КРМ-изображений.
Исследование смеси ПММА и ПС
Исследование смеси полимеров методом РЭМ проводилось при рабочем расстоянии около 8 мм, давлении азота 20 Па и ускоряющем напряжении 10 кВ. На полученном изображении отчетливо различимы два типа областей: с гладкой поверхностью и двухфазной структурой (рис.3а), однако РЭМ не позволяет идентифицировать компоненты этих областей. Возможностей ЭДС также недостаточно, так как этот метод не различает фазы химических соединений. КРМ позволила определить химический состав элементов структуры образца по их спектрам (рис.3b). КРМ-изображение, показывающее распределение полимеров по площади образца, представлено на рис.3с. Хотя известно, что данные полимеры не смешиваются, на некоторых участках цвета накладываются друг на друга, что можно объяснить слишком малым для КРМ размером элементов. Экспериментальные данные свидетельствуют, что латериальное разрешение конфокального рамановского микроскопа составляет около 360 нм, а разрешение по глубине – около 1,5 мкм. Как следствие, области, содержащие частицы меньших размеров, чем может распознать микроскоп, имеют на изображении смешанный цвет.
Размер исследованного участка образца составляет 50 × 50 мкм. Рамановское изображение содержит 300 × 300 точек (90 тыс. спектров комбинационного рассеяния), каждая из которых измерялась за 50 мс. Совмещение РЭМ- и КРМ-изображений (рис.3d) позволяет связать информацию о топологии исследуемой смеси полимеров и ее химическом составе.
Выводы
Технология RISE, объединяющая КРМ и РЭМ, – новый метод комплексного исследования структурных и химических характеристик материалов. Сопоставление информации, полученной с использованием двух проверенных практикой технологий измерения, открывает перед исследователями новые возможности. Рассмотренные примеры исследования образцов графена и смеси полимеров подтвердили, что RISE-микроскопия удачно дополняет другие корреляционные методики. RISE-микроскопия может эффективно использоваться в материаловедении, нанотехнологиях, геологии, биологии, фармацевтике.
Литература
1.Goldstein J. et al., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. – Third Edition, Springer, New York, 2003.
2.Balss K. et al., J Biomed Mater Res A 85. – 2008, 258–70.
3.Wermelinger T. et al. Acta Materialia 55. – 2007, 4657–65.
4.Schmidt U. et al. Vibrational Spectroscopy 42. – 2006, 93–97.
5.Dieing T. et al. (eds.) Confocal Raman Microscopy, Springer Series in Optical Sciences. – Springer, Berlin Heidelberg, 2010.
Технологии и оборудование
РЭМ характеризуется высоким разрешением, позволяя исследовать топографию и морфологию материалов. Для получения изображения поверхность образца сканируется сфокусированным высокоэнергетическим пучком электронов с фиксацией датчиком отраженных и вторичных электронов. Вторичные электроны дают информацию о морфологии и топографии образца, обратноотраженные электроны – об однородности структуры. Разрешение РЭМ составляет около 1 нм [1].
КРМ базируется на спектроскопическом анализе молекулярной структуры образца. РС может применяться для исследования твердых, жидких и газообразных объектов. Эффект комбинационного рассеяния проявляется при взаимодействии света с химическими связями в материале. Колебания в химических связях вызывают изменение частоты энергии отраженного излучения, которое определяется специфическим для каждого химического вещества рамановским спектром. Комбинационное рассеяние, как правило, имеет низкую интенсивность, поэтому для получения рамановского спектра требуются высокочувствительные приборы. Помимо идентификации химических компонентов образца, РС позволяет измерять их количество, определять характеристики напряженно-деформированного состояния и кристалличности. В частности, по пиковой интенсивности комбинационного рассеяния можно оценивать относительное количество конкретного химического соединения, сдвиг пика указывает на напряженно-деформированное состояние, а ширина пика свидетельствует о степени кристалличности или аморфности вещества [2, 3, 4].
КРМ объединяет РС с конфокальной оптической микроскопией. В режиме КРМ образец сканируется последовательно, точка за точкой и линия за линией, причем датчик получает информацию только из фокальной плоскости оптической системы. Благодаря этому для каждой сканированной точки собирается спектроскопическая информация о химических компонентах. Конфокальные рамановские микроскопы обеспечивают пространственное разрешение, ограниченное только дифракционным пределом световых волн, и характеризуются хорошим разрешением по глубине, что позволяет получать трехмерные изображения и глубинные профили [5].
Корреляционная технология RISE, объединяющая КРМ и РЭМ, разработана немецкой компанией WITec и чешским холдингом Tescan Orsay. В приборах, реализующих эту технологию, конфокальный рамановский микроскоп интегрирован в вакуумную камеру электронного микроскопа. Измерения выполняются последовательно в двух различных позициях с автоматическим перемещением образца. Калибровка его позиции позволяет сканировать одну и ту же область в обоих режимах. В режиме КРМ используется объектив 100×/0.75 фирмы Zeiss. Специальное программное обеспечение RISE служит для управления настройкой прибора и обработки результатов, включая корреляционный анализ и наложение изображений КРМ и РЭМ.
Подготовка экспериментов
Первый исследуемый объект – графеновая пленка, нанесенная на кремниевую пластину методом химического осаждения из паровой фазы, – был установлен в камеру прибора для измерения в режиме высокого вакуума без дополнительной пробоподготовки (в частности, без нанесения дополнительного проводящего углеродного или золотого покрытия). Графеновая пленка состояла из нескольких слоев, каждый толщиной в один атом. Для исследования настолько тонких покрытий целесообразно использовать режим вторичных электронов, так как они характеризуются малой глубиной проникания, что обеспечивает лучший контраст изображения.
Второй исследуемый объект – раствор полимеров – был получен из полиметилметакрилата (ПММА) и полистирола (ПС), растворенных в толуоле (10 мг полимера в 1 мл толуола). При приготовлении образца 2 мл раствора ПММА было смешано с 1 мл раствора ПС. Капля раствора была помещена на стекло и высушена при комнатной температуре. После испарения растворителя на поверхности стекла образовалась полимерная пленка толщиной в несколько сотен нанометров, и образец был помещен в вакуумную камеру прибора. Исследовать такой образец без нанесения специальных покрытий целесообразно при низком ускоряющем напряжении и в специальной атмосфере, например в азоте. Это еще одно отличие комбинации РЭМ-КРМ от РЭМ-ЭДС, так как для эмиссии рентгеновского излучения требуются высокие ускоряющие напряжения. РЭМ-исследование выполняется в режиме вторичных электронов, которые рассеиваются преимущественно упруго, причем тяжелые атомы отклоняют больше электронов, что обеспечивает более сильный сигнал.
Исследование графеновой пленки
Графеновые пленки состоят из стабильных молекул с высокой тепло- и электропроводностью. Эти свойства графена обуславливают высокий интерес к его использованию в электронике, фотовольтаике и разработке новых материалов.
РЭМ-исследование участка размером 12 × 12 мкм выявило дефекты графеновой структуры, в частности, морщины и наслоения (рис.2а). Дальнейшее исследование дефектов проводилось методом КРМ, так как применение ЭДС нецелесообразно из-за малой толщины пленки, не обеспечивающей эмиссию рентгеновского излучения достаточной силы. Гиперспектральные данные, содержащие информацию о тысячах спектров комбинационного рассеяния, были проанализированы с помощью ПО RISE, которое выявило основные спектральные компоненты. Полученные спектры комбинационного рассеяния предоставили дополнительную информацию об исследуемой графеновой пленке, в частности, различия в ширине и высоте пиков спектров характеризовали дефекты структуры. Например, разная высота пика
D�
на рис.2b свидетельствует о различии свойств нескольких графеновых слоев. Изображение размером 90 × 90 точек (8,1 тыс. спектров комбинационного рассеяния) было получено менее чем за 7 мин. На рис.2с представлен результат объединения полученной информации путем совмещения РЭМ- и КРМ-изображений.
Исследование смеси ПММА и ПС
Исследование смеси полимеров методом РЭМ проводилось при рабочем расстоянии около 8 мм, давлении азота 20 Па и ускоряющем напряжении 10 кВ. На полученном изображении отчетливо различимы два типа областей: с гладкой поверхностью и двухфазной структурой (рис.3а), однако РЭМ не позволяет идентифицировать компоненты этих областей. Возможностей ЭДС также недостаточно, так как этот метод не различает фазы химических соединений. КРМ позволила определить химический состав элементов структуры образца по их спектрам (рис.3b). КРМ-изображение, показывающее распределение полимеров по площади образца, представлено на рис.3с. Хотя известно, что данные полимеры не смешиваются, на некоторых участках цвета накладываются друг на друга, что можно объяснить слишком малым для КРМ размером элементов. Экспериментальные данные свидетельствуют, что латериальное разрешение конфокального рамановского микроскопа составляет около 360 нм, а разрешение по глубине – около 1,5 мкм. Как следствие, области, содержащие частицы меньших размеров, чем может распознать микроскоп, имеют на изображении смешанный цвет.
Размер исследованного участка образца составляет 50 × 50 мкм. Рамановское изображение содержит 300 × 300 точек (90 тыс. спектров комбинационного рассеяния), каждая из которых измерялась за 50 мс. Совмещение РЭМ- и КРМ-изображений (рис.3d) позволяет связать информацию о топологии исследуемой смеси полимеров и ее химическом составе.
Выводы
Технология RISE, объединяющая КРМ и РЭМ, – новый метод комплексного исследования структурных и химических характеристик материалов. Сопоставление информации, полученной с использованием двух проверенных практикой технологий измерения, открывает перед исследователями новые возможности. Рассмотренные примеры исследования образцов графена и смеси полимеров подтвердили, что RISE-микроскопия удачно дополняет другие корреляционные методики. RISE-микроскопия может эффективно использоваться в материаловедении, нанотехнологиях, геологии, биологии, фармацевтике.
Литература
1.Goldstein J. et al., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. – Third Edition, Springer, New York, 2003.
2.Balss K. et al., J Biomed Mater Res A 85. – 2008, 258–70.
3.Wermelinger T. et al. Acta Materialia 55. – 2007, 4657–65.
4.Schmidt U. et al. Vibrational Spectroscopy 42. – 2006, 93–97.
5.Dieing T. et al. (eds.) Confocal Raman Microscopy, Springer Series in Optical Sciences. – Springer, Berlin Heidelberg, 2010.
Отзывы читателей
