4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

26
Electronic Microsc ope Michsur 1 4 – הההההההההההה – ההההההההה הההההההה הההה הההההה הה ההההההההה ההההה4.1 - הdiffraction ההההההההה ההRayleigh הההה הה הה ההההההה4.2 הההההההההה ההההההההה4.3 TEM SEM הההההה הההה ההההההההה הההההההההההה) X ( 4.4

description

4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני. מיקרוסקופ בנראה. מיקרוסקופ אלקטרוני. טיפול החומר במרחקים ננומטרים חקירת חומר הנמצא בממדים ננומטרים שימוש בחומר כזה. מה זה ננוטכנולוגיה?. 1 - זווית התבדרות "מתוכננת". 2 - זווית התבדרות “Diffraction Limited”. D. s. b diff. l. b diff ~. D. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Page 1: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

1

– ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ 4אלקטרוני

4.1גבול ההבחנה של מיקרוסקופ אופטי

diffractionה-

Rayleighהקריטריון של

4.2אורך גל של אלקטרון

4.3המיקרוסקופ האלקטרוני

TEM

SEM

X(4.4תופעות בתוך מיקרוסקופ אלקטרוני (קרני

Page 2: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

2

מה זהננוטכנולוגיה?

טיפול החומר במרחקים ננומטרים• חקירת חומר הנמצא בממדים ננומטרים• שימוש בחומר כזה•

מיקרוסקופ אלקטרוני

מיקרוסקופ בנראה

Page 3: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

3

"זווית התבדרות" מדוע יש לכל מקור1- " מתוכננת " התבדרות זווית

”Diffraction Limited“ - זווית התבדרות 2

s diff

D

diff ~

D

http://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction

מדוע יש גבול ל"כושר הבחנה", ליכולת הפרדה בין שתי נקודות קרובות בעצם?

Page 4: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

4

גדלים גיאומטרים לחריץ מלבני של הדיפרקציה

מסךמינימה בתאורה

D

’L

המינימה נוצרת בגלל אינטרפרציה הורסת

L =/2 = D/2(sin’)

/D = sin’

L חישוב

רוחב הסדק

קרינה באורך

גל

Page 5: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

5

גדלים גיאומטרים לחריץ עגול של הדיפרקציה

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/cirapp2.html

sin ’ = 1.22

D’= /2

85 %מהאנרגיה

טבעות במקום פסים

rspot = f sin ’= 1.22 f /D

Airy Disk

Page 6: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

6

http://www.olympusmicro.com/primer/java/diffraction/index.html

מסקנה: היכולת של אופטיקה למקד מוגבלת ע"י הדיפרקציה. אופטיקה טובה, מעשית,

diffraction limited היא

rspot = f sin ’= 1.22 f /D

עבודה באורך גל קטן מאפשרת מיקוד טוב יותר

Page 7: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

7

קריטריון ההבחנה

של Raileigh

Two adjacent points are just resolved when the centers of their Airy patterns are separated by a minimum distance,

DA- equal to the radius rspot

) of the central disk in the Airy pattern)

rspot = f sin ’ = 1.22 f /D

ככל שאורך הגל קטן יותר, כושר ההבחנה גדול יותר

The minimum resolvable detail when: the first diffraction minimum of the image of one source point

coincides with the maximum of another.

Page 8: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

8

Raileighקריטריון ההבחנה של

Maximum 2

Minimum 1

1 2

DA = rspot

1 נופלת על המינמה של 2המקסימה של

Page 9: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

9

http://www.olympusfluoview.com/java/resolution3d/

מכאן החיפוש אחרי אורכי גל קצרים יותר ויותר

התחל באורך גל ארוך. קבע את כושר ההבחנה. רד באורך הגל. קבע את ההבחנה

NA = D/2f

Page 10: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

10

אלקטרון באטום מימן יכול להימצא ברמות אנרגיה

.מוגדרות

כאשר n-1 הוא כל מספר שלם גדול מRהוא הקבוע של Rydberg

Z הוא המספר האטומי של הגרעין

המספר הקוונטי הראשי

ReV =13.607 eV

En = -RZ2

n2

Stationary States

- אורך גל של אלקטרון: 4.2Bohrהפוסטולט הראשון במודל של

: de Broglieההצדקה של האלקטרונים מתנהגים כמו גלים עומדים

Page 11: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

11

http://online.cctt.org/physicslab/content/PhyAPB/lessonnotes/dualnature/deBrogliewaves.asp

diagrams courtesy of Paul G. Hewitt

deאורך הגל של Broglie

פתיחת ההיקף של האורביטלות

n=4 עד n = 1שעבורם

n =1

n =2

n =3

n =4

http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/debroglie.htmlהפעל

Page 12: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

12

hE

;ph

eV2mp

vmEe

22

e21

k

[m]V

1.23x10

eV2m

h 9

e

לכל החלקיקים(אלקטרונים, אטומים,

יונים, פרוטונים, נאוטרונים) יש התנהגות של גל, כמו הפוטונים לכל החלקיקים יש

Eאנרגיה pתנע אורך גל

תדירות

עבור אלקטרון מואץ

eV2mp e

הנחות של de Broglie

, קטן הגל אורךשהמתח ככלעולה

p = mv

Page 13: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

13

נחשב את אורך הגל של אלקטרון מואץ

V = 104 V

m 1.23x1010

1.23x10

V

1.23x10 112

9-9

Xקרני

האלקטרונים בוואקום יכולים להיות מואצים עד כדי קבלת כושר הבחנה גדול, בסדרי גודל,

מהאפשרויות שיש לנו בתחום האלקטרו-אופטיX ואפילו מזה של קרני

ניתן לקבל רצף של אורכי הגל – המקור: אנרגיה קינטית של האלקטרון

אבל, איך בונם "עשדות" לאלקטרונים?

Page 14: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

14

חשמליות ומגנתיותעדשות לאלקטרונים

-

-

חשמלית

טבעת טעונהשלילית

.מרכזת אלומה מקביל

ה ל"מוקד

"

אלומה מקבילה

של אלקטרוני

ם מואצים

במהירות אחידה

Page 15: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

15

קווי שדהעדשות אלקטרוניות

Dr. Marx

http://www.siu.edu/-cafs/surface/file4.htmlמרכזת

מפזרת

Page 17: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

17

מתח גבוה

ThermionicCathode

1עדשה condenser

דוגמה נבדקת

2עדשה Objective

3עדשה Projector

Transmission Electronic

Microscope,TEM (1931)

מרגישים באלקטרונים שחוצים את הדוגמה.

מתאים לדגמים למשאיבה"שקופים"

מסך קתודולומינסנ

טי

חלון צפיה

מתקינים מצלמה, עיבוד תמונה

Page 18: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

18

Scanning Electron

Microscope

SEM

http://acept.la.asu.edu/PiN/rdg/elmicr/elmicr.shtml

התמונה נבנית ע"י סריקה.

האלקטרונים פוגעים, כל פעם, בנקודה אחרת של

הדוגמה. X יש הטיה לציר

מסונקרנת Yולציר לצג.

תותח אלקטרוניים

עדשות הארה

סלילי הטעיה

עדשה סופית

אלומת אלקטרונים

דוגמהגלאי בודד

קליטה של אלקטרונים

מוחזרים

תא וואקום

Page 19: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

19

תופעות במיקרוסקופים אלקטרוני

Sample)Absorbed

Electrons(

TEM

SEM

TEMIncident

Beam

Transmitted Beam

קרני X

Backscattered Electrons

Secondary Emission Electrons

Auger Electrons

SEM Incident Beam

SEM Reflected Electrons

InelasticScateredelectrons

ElasticScateredelectrons

Page 20: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

20

Samples

SEM images of carbonized (PAN) electrospun nanofibers at different magnifications.

Page 21: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

21

NaCl

Crystal

X-ray spectrum

Na, Cl, Si, K, Au

Page 22: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

22

Table 2. Variation of Electron Wavelength with applied voltage

Applied Voltage (keV) Wavelength, nm)

20 0.008588

50 0.005355

80 0.00418

100 0.003702

200 0.002508

500 0.001421

1000

0.00872

1

2

3

4

6

7

5

Page 23: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

23

Xיצירת קרני

+Z

X-Ray h

X-Ray h'

ההסתברות להמצאות שלאלקטרון פנימי

במקום כלשהו מהגרעיןתלוי במטען של הגרעין

לכן, ההפרש של האנרגיה הנפלטת במעבר מרמה אחת לשניה

אופיינית למטען של הגרעין, כלומר מזהה את היסוד

Page 24: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

24

Characteristic X-Rays

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xrayc.html#c1

Page 25: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

25

http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/AtomicStructure/AtNum-Moseley.html

= k(Z – √

תוצאות מקוריות

Page 26: 4 – ננוטכנולוגיה – מיקרוסקופ אלקטרוני

Electronic Microscope

Schechner (c) Chap. 5 Michsur

26

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/moseley.html