Mágneses anyagok elektronmikroszkópos vizsgálata

Átírás

1 Mágnss anyagok lktronmikroszkópos vizsgálata 1. Transzmissziós lktronmikroszkóp 1.1. A mágnss kontraszt rdt a TEM-bn Az lktronmikroszkópban kv-os (stlg 1 MV-os) gyorsítófszültséggl gyorsított lktronok kttős trmésztűk. Részcskként sbsségük mgközlíthti a fény sbsségét (100 kv-nál km/s, 1 MV-nál km/s), hullámként pdig az jllmzi őkt, hogy hullámhosszuk sokkal kisbb, mint a szilárd tstkbn lőforduló atomközi távolságok ( angström 100 kv-nál, angström 1 MV-nál). Mindkét tulajdonság alkalmas arra, hogy az lktron és a mágnss indukció kölcsönhatását szmléltssük. Részcskként tkintv gy mágnss térbn haladó lktronra a Lorntz-rő hat: F L = q ( v B) ahol q és v az lktron töltés és sbsség, B pdig a mágnss indukció. A Lorntz-rőt a tljs lktron úthosszon összgzni kll, nm csak a minta blsjébn. Rúd alakú doménk stén a három lhtségs lrndzés közül csak az gyik ad kontrasztot, a másik kttőnél a Lorntz-lhajlás kiátlagolódik (1. ábra) 1. ábra A lágymágnss rétgk az 1. típusba tartoznak, míg a mágnss adatrögzítők lgtöbbször a 2. vagy a 3. típusba sorolhatók. Trmésztsn a minta mgfllő szögbn való mgdöntésévl a kontraszt növlhtő Hagyományos Lorntz-mikroszkópia (A) Dfókuszált képalkotás Ha a minta produkál is stlg rdő lhajlást, z nm fog kontrasztként mgjlnni gy hagyományos, fókuszált képn. Elfókuszálva a képt kirajzolódnak (2. ábra) az gynltsn magntizált, szórt tértől mnts doménk (1a. ábra) körvonalai.

2 2. ábra Tkintttl arra, hogy z az ljárás a Lorntz-rőn alapul, dfókuszált Lorntzmikroszkópiának nvzik, pontosabban Frsnl-fél Lorntz-mikroszkópiának, mivl a mchanizmus hasonló az optikában ismrt Frsnl-fél fénylhajlási kísérlthz. A dfókuszált mód tárgyalásakor a hullám-optikai mgközlítés rndkívül hasznos. Ebből a nézőpontból ugyanis a mágnszttség az lktron-hullám fázisát bfolyásolja. Ha B 0 a mágnss indukcióvktor (B) átlagos, a nyalábra mrőlgs komponns, és s b a nyaláb irányába mutató gységvktor, akkor a fázisváltozás gyszrűn flírható: gradϕ 2πq D B s h = 0 b ahol ϕ az lktronhullám fázisa, D a rétgvastagság és h a Planck-állandó. Eszrint gy gynltsn mágnsztt domén mgfll az optikában gy linárisan változó vastagságú üvglmznk (2b. ábra). Jól lokalizált, kohrns lktronforrást használva lktrondiffrakciós szgélyk jlnnk mg gy "konvrgns" fal Frsnl-képén (3. ábra). Az ilyn bonyolult képk azonban csak közvttt információt hordoznak a két domén közötti falról. 3. ábra Ha rndlkzésr áll valamilyn modll a falakról vagy a mikromágnss szrkztről, akkor a képk tartalma összhasonlítható a hullámoptikai számítások rdményivl, ám a gyakorlatban a lgtöbb stbn a dfókuszált Lorntz-mikroszkópia nm szolgáltat közvtln mikromágnss információt. Ez alól az gytln kivétl a Bloch-falak aszimmtriája, amly gykristály rétgk "divrgns" falainak flvétlin látszik (4. ábra). Vigyázni kll azonban, mrt az gykristályokról készíttt TEM-flvétlk gyéb kontrasztokat is tartalmaznak (pl. diszlokációk, xtinkciós kontúrok, stb.).

3 4. ábra Általánosságban lmondható, hogy a hagyományos Lorntz-mikroszkópia lhtővé tszi a doménszrkzt vizsgálatát vékony rétgkbn, d nm lég jó a flbontása a doménfalak vizsgálatához. Ugyancsak nm lht zzl a módszrrl a mágnsződés irányát mghatározni, rr gyéb, indirkt vizsgálatok rdményiből kövtkztthtünk: a falak és a külső mágnss tér rakcióinak vizsgálata polikristályos mintáknál a mágnszttség jllgzts fluktuációja, az ún. fodrozódás általában mrőlgs a fő mágnszttségi irányra (ld. 3. ábra) külön vizsgálat során lvégztt kisszögű diffrakcióval mghatározható a Lorntzlhajlás, és így az átlagos mágnszttségi irány is. (B) Klasszikus fókuszált képalkotási módok Az optikában használatos fáziskontraszt-mikroszkópiához hasonlít a Foucault-módszr, amlynél gy diafragmával ltakarják az aprtúra flét (5. ábra). Ezzl a módszrrl rős domén-kontrasztot lht lérni, a kép minőség azonban a diafragma pontos hlyztétől függ, amit csak próbálgatással lht mghatározni. 5. ábra A kapott képk a Krr-ffktuson alapuló optikai képkr hasonlítanak, ám azoknál gy nagyságrnddl jobb flbontást adnak. A doménfalak részlti azonban itt sm figylhtők mg. A kövtkzőkbn olyan módszrt ismrttünk, amly sokkal jobb flbontással már kvantitatív információt is nyújt a mágnss tulajdonságokról.

4 1.3. Diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópia (A) Hagyományos pásztázó tchnika Ez a módszr a hagyományos fáziskontraszt-mikroszkópia pásztázó transzmissziós lktronmikroszkópon alapuló változata. A mintát gy vékony lktronnyaláb pásztázza. A mikroszkóp diffrakciós síkjában gy osztott dtktor van, amly a diffraktált nyalábot lktronikus jlkké alakítja (6a. ábra). 6. ábra Ha a dtktor két félből áll, akkor a két jl közötti különbség arányos lsz a nyaláb lhajlásával, és így a mágnszttségnk a dtktor tnglyévl gy irányba ső komponnsévl. Ezt a módszrt diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópiának (diffrntial phas contrast microscopy, DPC) nvzik. Erdményül gy olyan képt kapunk (6b. ábra), amly a Krr- vagy Faraday-ffktuson alapuló képkhz nagyon hasonlít, d azoknál sokkal nagyobb flbontású (a flbontás lérhti a 10nm-t is). Ha forgatjuk a dtktort, akkor a mikroszkóp a mágnszttség másik komponnsér is érzékny lsz (7. ábra). A gyakorlatban gy négy részr osztott dtktort használnak, amlynk jli ttszés szrint kombinálhatók. 7. ábra Ha a külső szórt trk lhanyagolhatók (pl. lágymágnsknél), akkor két ilyn kép kombinálásával a mágnszési irányok kvantitatív mghatározása is lhtségs. Nagy flbontásnál az lktronokat gondosan kollimálni kll. A mgvilágító rndszr hasonló szrpt tölt b, mint a hagyományos lktronmikroszkópoknál, így a két mikroszkóp lktron-optikai rndszr nm tér l gymástól jlntős mértékbn. A diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópiának két további lőny is van: a nagyítás a pásztázás amplitúdójával szabadon mgválasztható, és a képalkotás során (a diffrnciális módnak köszönhtőn) a rugalmatlan lktronszórásból származó hatások kioltják gymást. Emiatt a módszr a hagyományos lktronmikroszkópiában mgszokott próbatstknél vastagabb minták vizsgálatát is lhtővé tszi. Mg kll azonban azt is mlítni, hogy nm mindn szrkzti hatás rdményz szimmtrikus szóródást, így bizonyos jlnségk nm átlagolódnak ki. Emiatt a képn a mágnss kontraszt mlltt mgjlnht a szmcsszrkztből vagy a minta széliből

5 származó kontraszt is. Ez a jlnség vékony minták stén flrősödik. Kör alakú dtktor használatával, amlynél a cntrális nyalábhoz közli lktronok nm vsznk részt a képalkotásban, zk a mllékhatások jlntős mértékbn kiküszöbölődnk. Mindzk a nhézségk mlltt a diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópia nagy flbontású és kvantitatív információt ad az átlagos indukcióról. Mindazonáltal mg kll mlítni, hogy amint azt már az 1. ábrával kapcsolatban is flmrült, nm biztos, hogy a mágnszttségi vktor háromdimnziós mzőjét mg tudjuk határozni. Ez csak abban az stbn lhtségs, ha a DPC kép mlltt rögzítjük a minta alatti és fltti szórt mágnss trkt is. Err a problémára a későbbik során még visszatérünk. (B) Diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópia a hagyományos TEM-bn Hagyományos transzmissziós lktronmikroszkópban is készíthtünk DPC-képt oly módon, hogy az lktronnyaláb pásztázása hlytt a nyaláb bhatolási szögét változtatjuk szisztmatikusan az aprtúra-síkban, kvadráns lrndzésbn. Az így kapott képkből utólag digitális úton állítjuk lő a diffrnciális képt. A módszr lőny, hogy gy hagyományos TEM is lgndő hozzá, hátránya a mgnövkdtt időszükséglt A Lorntz-mikroszkópia spciális kövtlményi A mintalőkészítés különösn fontos a transzmissziós lktronmikroszkópiában. A tömbi anyagokat l kll vékonyítani, lhtőlg lktropolírozással vagy ionos vékonyítással. A flültnk simának kll lnni. A hasznos vastagság lgyn kisbb 100 nm-nél a hagyományos, és néhány száz nanométrnél a nagyfszültségű lktronmikroszkópiánál. A hagyományos mikroszkópi tchnikákhoz képst gy jlntős ltérésr fl kll hívni a figylmt. Az rős objktívlncs nagy tnglyirányú mágnss trt hoz létr, ami tönkrthti a vizsgálandó doménszrkztt. Így zt a lncsét vagy ki kll kapcsolni, vagy a mintát mgfllő távolságra kll vinni től. Mindkét st a mikroszkóp flbontóképsségénk romlásával jár. A másik lhtőség pdig az, hogy gy ún. Lorntzobjktívt kll használni, amly ugyan kisbb flbontással rndlkzik, d az idális mintapozícióban lhanyagolható mágnss tr van. A lgtöbb doménvizsgálatot hagyományos, kv-os mikroszkópokban végzik. Az nnél nagyobb gyorsítófszültségk alkalmazása javítja a kép minőségét, hiszn rősödik az lhajlási ffktus. Az optimális gyorsítófszültség kv lnn. Ebbn az stbn növkszik a mélységélsség is. A rugalmatlanul szórt lktronokat pdig nrgiaszűrőkkl ki lht küszöbölni. Lhtőség van arra is, hogy a mikroszkóp tnglyér mrőlgs gyng mágnss trt állítsunk lő. Ennk a térnk az lktronokra gyakorolt hatását gy vagy két tkrcs sgítségévl ki lht küszöbölni, rr a célra spciális mágnsző mintatartók létznk. A lggyszrűbb mgoldás az, amikor a gyngén grjszttt objktívlncsét használják rr a célra, és a kívánt mágnszési irányt a minta döntésévl érik l. Ezzl a módszrrl a minta síkjában maximum 100 ka/m érhtő l. Fontos, hogy a mikroszkóp rndlkzzn dönthtő mintatartóval, mrt nnk sgítségévl lht a mágnss kontrasztot a szrkzti kontrasztoktól mgkülönbözttni. Ajánlatos, hogy a mintatartónak 6 szabadsági foka lgyn. Gyakori probléma az intnzitás hiánya. Jó minőségű képkt csak térmissziós katódokkal lht lérni, diffrnciális fáziskontraszt-mikroszkópia pdig nm is létzht nélkülük. Gyakran a mgfigylni kívánt jlnség még így sm látszik a fotornyőn, csak hosszabb xponálás után a fényképn. Érdms digitális adatgyűjtést és fldolgozást alkalmazni.

6 2. Elktron-visszavrődésn és -szóródáson alapuló módszrk 2.1. Bvztés Az lktronok visszavrődésén ill. szórásán alapuló módszrk ltrjdését a pásztázó lktronmikroszkóp mgjlnés ttt lhtővé. Ebbn kétfél lktront használunk fl a képalkotásra: (i) a minta atomjairól gyakorlatilag rugalmasan visszavrődő ún. visszaszórt lktronokat (BSE, back scattrd lctrons), illtv (ii) a minta grjszttt atomjai által kibocsátott ún. szkundr lktronokat (SE, scondary lctrons). A visszaszórt lktronok nrgiája a rugalmas ütközés kövtkztébn gyakorlatilag mggyzik a primr lktronok nrgiájával (1-30 kv), a szkundr lktronok nrgiája nnél három nagyságrnddl kisbb (max. 50 V). Mágnss minta stén az lktronok trmésztsn lhajlást mutatnak, amit az irányérzékny dtktorokkal érzéklni lht. Tkintttl arra, hogy a mágnss hatás az gys lktrontípusokra ltérő lht, a bgyűjtött lktronokat nrgia szrint szét kll választani. A szkundr lktronok ugyanis pl. jobban érzéknyk a minta fltti szórt mágnss trkr, míg a nagyobb nrgiájú visszaszórt lktronok inkább a blső mágnszttséggl kapcsolatos információkat hordoznak. Ezn kívül a szkundr lktronok polarizációs állapota a mágnszési iránytól függ, így sgítségükkl kvantitatív információt is szrzhtünk az anyagról. Nm vagy csak gyngén vztő minták flültét vztővé kll tnni vékony fémrétg flvitlévl I. típusú vagy szkundr lktron kontraszt A 8a. ábrán gy tipikusnak mondható lrndzést láthatunk, amly sgítségévl a szórt mágnss trkt thtjük láthatóvá. A minta mrőlgsn hlyzkdik l a maximum 10 kv nrgiájú lktronnyaláb alatt. A szkundr lktronokat aszimtrikusan lhlyztt dtktor gyűjti b. 8. ábra Az lktronok intnzitása a mágnss tér H y (r) komponnsétől függ, amly az lktronokat vagy a dtktor irányába vagy azzal llnkző irányba téríti l. Kvantitatív analízis során az y tngly körül lforgatott minta által szolgáltatott mágnss jl az összs lktrontarjktória intgrálásából adódik: S y y r 0 ( x y) = H ( ), dz Tkintttl arra, hogy z az intgrál az x és y koordináták folytonos függvény, az I. típusú kép akkor is éltln és diffúz lsz, ha a vizsgált doménk éls határokkal rndlkznk. A 8b. ábrán rr láthatunk gy tipikus példát. Ilynkor általában a mágnss ábra alapvtő priodicitását figylhtjük mg.

7 Hagyományos dtktor stén a maximális kontrasztot a kövtkző képlttl számíthatjuk: C = 8 0qSmax µ / ( πm v ) ahol S max az S y intgrál maximális érték, q, m és v a szkundr lktronok töltés, tömg és sbsség. Látható, hogy a kontraszt növkszik, ha az lktron-nrgia csökkn. Javítható a kontraszt a dtktor alakjának gondos mgválasztásával, illtv nrgiaszűréssl. A tapasztalat azt mutatja, hogy akkor kapunk jó képt, ha S y 0,2 és 0,02 között van. 2 µm-s priodicitással lhlyzkdő doménk stén az intgrál akkor sik a kívánt értéktartományba, ha a szórt tér nagysága léri a ka/m értékt, így z a módszr nm vtkdht a Bittr-módszr érzéknységévl. Előny viszont az ljárásnak, hogy a szórt tér kvantitatív mérését tszi lhtővé. Ha rndlkzésünkr áll a doménábra valamilyn modllj, akkor az lktronkontrasztból a modll paramétrit mghatározhatjuk II. típusú vagy visszaszórási kontraszt Lágymágnss anyagoknál az lőbb lírt kontraszt nm figylhtő mg, mivl alacsony értékű szórt trük és kis anizotrópiájuk van. Mégis, ha a mintát mgfllő szögbn mgdöntjük, és a visszaszórt lktronokat dtktáljuk, akkor jól kivhtő doménkontrasztot láthatunk. A jlnség magyarázatában a 9a. ábra sgít. A mintába bcsapódó lktronok az anyag blsjébn lévő indukció miatt ltérülnk. Egy részük a minta flszín flé halad, így növli a kilépő lktronok számát, míg másik részük a tst blsj flé mozog, csökkntv a visszaszórt-lktron hozamot. A jlnség szimmtriája a kövtkző gynlttl írható l: S b = S0 + FI ( ϑ 0, E0 ) B ( k n) ahol S b a visszaszórt intnzitás, S 0 nnk alapérték, B a mágnss indukcióvktor, k a primr lktronok haladási iránya, n pdig a flült normálvktora. Az F I faktor a ϑ 0 bsési szög és az E 0 primr lktron-nrgia függvény. Az érzéknység akkor a lgnagyobb, ha a mágnszttség a bsés síkjára mrőlgs. 9. ábra Az F I faktor szögfüggőség miatt a lgnagyobb kontrasztot kb. ϑ 0 =40 foknál kapunk. Az ffktus a primr lktronok E 0 nrgiájától gy kb. 3/2-s kitvőjű hatványfüggést mutat. Mindzk llnér a kontraszt lég gyng, konvncionális lktronmikroszkópoknál mindössz néhány tizd százalék, és gy 200 kv-os nagyfszültségű pásztázó lktronmikroszkópnál sm mgy 1 % fölé. Mindnképpn szükség van thát a kapott képk digitális fljavítására. Kisbb fszültségk alkalmazásánál az a gond is fllép, hogy a képn a szrkzti kontraszt miatt a mágnss kontraszt csak kis mértékbn látható. Ezn

8 sgít a szrkzti kontraszt digitális úton történő lválasztása. Ilynkor azonban ügylni kll arra, hogy a két kép n csússzon l gymáshoz képst. Az optikai úton történő doménszrkzt-kimutatáshoz képst a visszaszórt lktronok dtktálásán alapuló módszr lénygsn nagyobb flbontást biztosít (100 kv-on 1 µm, 200 kv-nál pdig 3 µm). Az lktronok mélybb bhatolása pdig lhtővé tszi a vékony flülti rétgk, pl. oxidok vagy sznnyzők hatásának kiküszöbölését. Az ddig bmutatott módszr az lktronok vrtikális ltérülés révén mutatott mágnss kontrasztot. Van azonban gy másik hatás is, amly azon alapul, hogy a doménfalak mlltt az lktronok vagy fldúsulnak, vagy gy lktronban lszgénydtt tartomány jön létr (10a. ábra), így - a dfókuszált Lornzt-mikroszkópiához hasonlóan - doménfalkontraszt jön létr. 10. ábra A doménfalak vastagságát a képkről nm tudjuk mghatározni, mrt a mutatott vastagság a szóródás mértékévl, és így a vizsgálat flbontóképsségévl hozható összfüggésb. Ha az lktronmikroszkópot lassú ltapogatású üzmmódban használjuk, stroboszkópos doménflvétlkt készíthtünk. Ha a ltapogatás során a doménfalakat oszcilláltatjuk, akkor mandr-szrű ábrákhoz juthatunk (11. ábra). 11. ábra A visszaszórt kontraszt gy kvésbé ismrt változata a visszaszórt lktronok mágnssn indukált szögltérésén alapul, amly két részr osztott visszaszórt lktron-dtktorral dtktálható. Mindössz arra van szükség, hogy a kttéosztott dtktor két jlénk n az összgévl, hanm különbségévl alkossunk képt (12. ábra). Ennk a tchnikának az a rndkívüli lőny, hogy ilyn típusú dtktorral gyakorlatilag az összs krskdlmi lktronmikroszkóp fl van szrlv. A kapott kép zajban szgény, így viszonylag kisbb árammal és gyorsítófszültséggl is dolgozhatunk.

9 12. ábra Az stlgsn lmosódott képt itt is digitális módszrkkl javíthatjuk fl. Igazán jó képt viszont csak térmissziós forrással rndlkző lktronmikroszkóppal nyrhtünk.