El dispositivo de detección gaseosa ( GDD ) es un método y aparato para la detección de señales en el entorno gaseoso de un microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) y todos los instrumentos de tipo haz escaneado que permiten una presión de gas mínima para que el detector funcione.
Historia
En el curso del desarrollo del ESEM , los detectores previamente empleados en el vacío de un microscopio electrónico de barrido (SEM) tuvieron que adaptarse para funcionar en condiciones gaseosas. El detector de electrones retrodispersados (BSE) se adaptó con una geometría apropiada de acuerdo con los requisitos para una transmisión óptima del haz de electrones, distribución de BSE y transmisión de guía de luz. [1] Sin embargo, el correspondiente detector de electrones secundarios (SE) (detector Everhart-Thornley ) no pudo adaptarse, porque el alto potencial requerido causaría una falla catastrófica incluso con un aumento moderado de presión, como un vacío bajo. Danilatos (1983) [2] [3] superó este problema utilizando el propio gas ambiental como detector, en virtud de la acción ionizante de varias señales. Con el control apropiado de la configuración y el sesgo de los electrodos, se logró la detección de SE. Se ha publicado una encuesta exhaustiva que trata sobre la teoría y el funcionamiento de GDD, [4] a partir de la cual se ha utilizado la mayor parte del material que se presenta a continuación.
Principios y descripción
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El GDD es, en principio, una adaptación de las técnicas de detección de partículas utilizadas en física nuclear y astronomía. La adaptación involucra los parámetros requeridos para la formación de imágenes en las condiciones de un microscopio electrónico y en presencia de gas dentro de la cámara de muestras. Las señales que emanan de la interacción del espécimen del haz, a su vez, interactúan con el gas circundante en forma de ionización y excitación gaseosas. El tipo, la intensidad y la distribución de las interacciones señal-gas varían. Es una suerte que, en general, la constante de tiempo de estas interacciones sea compatible con la constante de tiempo requerida para la formación de imágenes en el ESEM. El establecimiento de esta compatibilidad constituye la base de la invención de GDD y el salto de la física de partículas a la microscopía electrónica. Las interacciones señal-gas dominantes son las de BSE y SE, como se describen a continuación.
En su forma más simple, el GDD involucra uno o más electrodos polarizados con un voltaje generalmente bajo (por ejemplo, hasta 20 V), que es suficiente para recolectar la corriente de ionización creada por cualquier fuente. Esto es muy parecido a una cámara de ionización en física de partículas. El tamaño y la ubicación de estos electrodos determinan el volumen de detección en el gas y, por tanto, el tipo de señal detectada. Los BSE energéticos recorren una gran distancia, mientras que los SE recorren una distancia lateral mucho más corta principalmente a través de la difusión en el gas. En consecuencia, un electrodo colocado más lejos del eje del haz tendrá un componente predominantemente BSE en comparación con el componente SE predominante recogido por un electrodo colocado cerca del eje. La proporción precisa de la mezcla y la intensidad de la señal depende de los parámetros adicionales de la naturaleza del gas y la presión junto con las configuraciones y el sesgo de los electrodos, teniendo en cuenta que no existe una distinción física abrupta entre SE y BSE, aparte de la definición convencional de 50 eV. límite entre ellos.
En otra forma, el GDD involucra uno o más electrodos como antes, pero polarizados con un voltaje generalmente alto (por ejemplo, 20-500 V). Los procesos involucrados son los mismos que en el caso de bajo voltaje con la adición de una amplificación de señal según el principio de un amplificador proporcional como se usa en física de partículas. Es decir, todos los electrones lentos del gas que emanan de la EEB ionizante o directamente de la muestra (es decir, la EE) se multiplican en forma de avalancha. La energía impartida a los electrones lentos que viajan por el campo del electrodo externo es suficiente para ionizar las moléculas de gas a través de colisiones sucesivas (en cascada). La descarga se controla en proporción por la polarización del electrodo aplicada por debajo del punto de ruptura. Esta forma de detección se denomina ionización-GDD. [4]
Paralelamente a la ionización, también hay excitación del gas en los dos casos anteriores. Los fotones gaseosos son producidos tanto por BSE como por SE tanto directamente como por avalancha en cascada con los electrones de ionización. Estos fotones se detectan por medios apropiados, como fotomultiplicadores. Mediante la colocación de tubos de luz estratégicamente, utilizando filtros y otros medios de óptica de luz, la SE de nuevo se puede separar de la EEB y las correspondientes imágenes formadas. Esta forma de detección se conoce como centelleo-GDD. [4]
Distribución y separación SE
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Los principios descritos anteriormente se describen mejor considerando los electrodos planos polarizados para formar un campo eléctrico uniforme, como se muestra en el diagrama adjunto del principio GDD . El haz de electrones que golpea la muestra en el cátodo crea efectivamente una fuente puntual de SE y BSE. La distribución de los electrones lentos emitidos desde una fuente puntual dentro de un gas sobre el que actúa un campo uniforme se da a partir de las ecuaciones (campo bajo): [5]
con
donde R es la fracción de SE que llega al ánodo dentro del radio r , V la diferencia de potencial entre los electrodos colocados a la distancia d , k es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta del gas, e la carga de electrones y ε es la relación de la energía térmica (de agitación y cinética) de los electrones dividida por la energía térmica del gas anfitrión; I es la corriente correspondiente recogida por el ánodo dentro de r , δ es el coeficiente de rendimiento SE e I b la corriente incidente del haz de electrones. Esto proporciona la distribución espacial de los electrones iniciales SE a medida que actúan sobre ellos el campo eléctrico uniforme que los mueve del cátodo al ánodo, mientras que los electrones también se difunden debido a las colisiones térmicas con las moléculas de gas. Los gráficos se proporcionan en las características de eficiencia adjuntas del GDD , para un conjunto de condiciones de operación de presión py distancia d . Observamos que se alcanza rápidamente una eficiencia de recolección del 100% dentro de un radio pequeño, incluso con una intensidad de campo moderada. Con un sesgo alto, se logra una colección casi completa dentro de un radio muy pequeño, un hecho que tiene implicaciones de diseño favorables.
La distribución radial anterior es válida también en presencia de formación de avalanchas de electrones en un campo eléctrico alto, pero debe multiplicarse por un factor de ganancia apropiado. En su forma más simple para electrodos paralelos, [6] el factor de ganancia es el exponencial en la ecuación actual:
donde α es el primer coeficiente de Townsend . Esto da la amplificación total de la señal debida tanto a los electrones como a los iones. La distribución de carga espacial y el factor de ganancia varían con la configuración y la geometría del electrodo y por los procesos de descarga adicionales descritos en la teoría referenciada del GDD.
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Distribución de la EEB
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Los BSE generalmente tienen energías en el rango de kV, por lo que la polarización del electrodo mucho más baja tiene solo un efecto secundario en su trayectoria. Por la misma razón, el número finito de colisiones con el gas también resulta en una desviación de segundo orden de su trayectoria que tendrían en el vacío. Por lo tanto, su distribución es prácticamente la misma que la calculada por los trabajadores de SEM, cuya variación depende de las propiedades de la superficie de la muestra (geometría y composición del material). Para una superficie de muestra pulida, la distribución de la EEB asume una función casi cosenoidal, pero para una superficie rugosa podemos considerar que es esférica (es decir, uniforme en todas las direcciones). [7] Por brevedad, las ecuaciones del segundo caso solo se dan a continuación. En el vacío, la distribución de corriente de la EEB en el electrodo viene dada por
donde η es el coeficiente de rendimiento de la EEB.
En presencia de gas en un campo eléctrico bajo, las ecuaciones correspondientes se convierten en:
donde S es el coeficiente de ionización del gas yp su presión
Finalmente, para un campo eléctrico alto obtenemos
A efectos prácticos, la EEB se encuentra predominantemente fuera del volumen sobre el que actúa predominantemente la EE, mientras que hay un volumen intermedio de una fracción comparable de las dos señales. La interacción de los diversos parámetros involucrados se ha estudiado principalmente, pero también constituye un nuevo campo para futuras investigaciones y desarrollos, especialmente a medida que nos movemos fuera de la geometría del electrodo plano.
Inducción de electrones e iones
Antes de las implementaciones prácticas, es útil considerar un aspecto (principio) más esotérico, a saber, el proceso físico fundamental que tiene lugar en el GDD. La señal en el circuito externo es una corriente de desplazamiento i creada por inducción de carga en los electrodos por una carga en movimiento e con velocidad υ en el espacio entre ellos:
En el momento en que la carga llega al electrodo, no hay corriente fluyendo en el circuito ya que υ = 0 , solo cuando la carga está en movimiento entre los electrodos tenemos una señal de corriente. Esto es importante en el caso, por ejemplo, cuando se genera un nuevo par electrón-ión en cualquier punto del espacio entre ánodo-cátodo, digamos a x distancia del ánodo. Entonces, solo una fracción ex / d de carga es inducida por el electrón durante su tránsito al ánodo, mientras que la fracción restante de e (d – x) / d carga es inducida por el ion durante su tránsito al cátodo. La suma de esas dos fracciones da una carga igual a la carga de un electrón. Así, contando los electrones que llegan al ánodo o los iones al cátodo, obtenemos la misma cifra en la medición de corriente. Sin embargo, dado que los electrones tienen una velocidad de deriva de aproximadamente tres órdenes de magnitud mayor (en un rango de nanosegundos) que los iones, la señal inducida puede separarse en dos componentes de diferente importancia cuando el tiempo de tránsito iónico puede llegar a ser mayor que el tiempo de píxel en el imagen escaneada. Por lo tanto, el GDD tiene dos constantes de tiempo inherentes, una muy corta debido a los electrones y una más larga debido a los iones. Cuando el tiempo de tránsito de los iones es mayor que el tiempo de permanencia del píxel, la intensidad de la señal útil disminuye junto con un aumento del ruido de fondo de la señal o la mancha de los bordes de la imagen debido a que los iones se quedan atrás. Como consecuencia, las derivaciones anteriores, que incluyen las contribuciones totales de electrones e iones, deben modificarse en consecuencia con nuevas ecuaciones para el caso de velocidades de barrido rápidas. [7] La geometría del electrodo se puede alterar con miras a disminuir el tiempo de tránsito de iones como se puede hacer con una aguja o geometría cilíndrica.
Este enfoque fundamental también ayuda a comprender el llamado modo de detección de “ corriente absorbida de la muestra ” en el SEM de vacío, que se limita solo a las muestras conductoras. La formación de imágenes de muestras no conductoras, ahora posible en el ESEM, puede entenderse en términos de una corriente de desplazamiento inducida en el circuito externo a través de una acción similar a un condensador, siendo la muestra el dieléctrico entre su superficie y el electrodo subyacente. [4] Por lo tanto, el (nombre inapropiado) "corriente absorbida de la muestra" per se no juega ningún papel en la formación de una imagen útil, excepto para disipar la carga (en los conductores), sin la cual los aisladores generalmente no se pueden obtener imágenes en el vacío (excepto en el raro caso cuando la corriente del haz incidente es igual a la corriente total emitida).
Ganancia del detector SE
Mediante el uso de una derivación para el coeficiente de Townsend dado por von Engel, [6] el factor de ganancia G , en el caso de SE con una colección de corriente total I tot (es decir, para R = 1 ), se encuentra mediante:
donde A y B son constantes tabuladas para varios gases. En el diagrama suministrado, trazamos las características de ganancia para nitrógeno con A = 9.0 y B = 256.5 válidas en el rango 75–450 V / (Pa · m) para la relación E / p . Debemos tener en cuenta que en el trabajo ESEM el producto pd <3 Pa · m, ya que a valores más altos no se transmite ningún haz útil a través de la capa de gas a la superficie del espécimen. [8] El área sombreada en gris muestra la región de funcionamiento de GDD siempre que los procesos γ sean muy bajos y no provoquen una ruptura de la amplificación proporcional. [4] Esta área contiene los máximos de las curvas de ganancia, lo que refuerza aún más la aplicación exitosa de esta tecnología a ESEM. Las curvas fuera del área sombreada se pueden utilizar con una energía de haz superior a 30 kV, y en el futuro desarrollo de microscopios electrónicos de barrido de transmisión ambiental o atmosférica que empleen una energía de haz muy alta.
Implementaciones generales
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El diagrama que muestra el principio de GDD constituye una implementación versátil que incluye no solo el modo SE sino también el BSE y una combinación de estos. Incluso si solo se desea usar la señal SE por sí sola, se recomienda emplear al menos un electrodo concéntrico adicional para ayudar en la separación de la interferencia de la EEB y también de otras fuentes de ruido, como los electrones de la falda dispersos fuera del haz primario. por el gas. Esta adición puede actuar como un electrodo de "protección" y, al variar su polarización independientemente del electrodo SE, el contraste de la imagen se puede controlar a propósito. Se utilizan electrodos de control alternativos, como una malla entre el ánodo y el cátodo. [4] También se ha descrito en otro lugar una matriz multipropósito de electrodos por debajo y por encima de la muestra y por encima de la abertura limitadora de presión del ESEM. [9]
El desarrollo de este detector ha requerido circuitos electrónicos dedicados, especialmente cuando la señal es captada por el ánodo con alta polarización, porque la corriente flotante amplificada debe acoplarse en todo el ancho de banda al amplificador de tierra y a los circuitos de visualización de video (desarrollados por ElectroScan). [9] Una alternativa es polarizar el cátodo con un potencial negativo y captar la señal del ánodo en tierra flotante sin necesidad de acoplamiento entre las etapas del amplificador. Sin embargo, esto requeriría precauciones adicionales para proteger a los usuarios de la exposición a un alto potencial en la etapa de la muestra.
Una alternativa adicional que se ha implementado en la etapa de laboratorio es mediante la aplicación de una alta polarización en el ánodo pero mediante la captación de las señales del cátodo en el suelo flotante, como se muestra en el diagrama adjunto . [10] Los electrodos concéntricos (E2, E3, E4) se fabrican en una placa de circuito impreso (PCB) de fibra de vidrio recubierta de cobre y se agrega un cable de cobre (E1) en el centro del disco. El ánodo se hace nuevamente a partir de la misma PCB con un orificio cónico (400 micrómetros) para actuar como una abertura limitadora de presión en el ESEM. El material de fibra de vidrio expuesto dentro del cono de apertura junto con su superficie superior están recubiertos con pintura plateada en continuidad con el material de cobre del electrodo de ánodo (E0), que se mantiene a un alto potencial. Los electrodos de cátodo están conectados de forma independiente a amplificadores de tierra, que, de hecho, pueden polarizarse con bajo voltaje directamente desde las fuentes de alimentación del amplificador en el rango de ± 15 voltios sin necesidad de ningún acoplamiento adicional. Por el mecanismo de inducción que opera detrás del GDD, esta configuración es equivalente al esquema anterior, excepto por la señal invertida que se restaura electrónicamente. Mientras el electrodo E0 se mantiene a 250 V, se obtienen imágenes significativas como se muestra en una serie de imágenes con la composición de señales de varios electrodos a dos presiones de aire suministrado. Todas las imágenes muestran parte del alambre de cobre central (E1), fibra de vidrio expuesta (FG, medio) y cobre (parte de E2) con un poco de pintura plateada que se usó para unir el alambre. La gran semejanza de (a) con (b) a baja presión y (c) con (d) a alta presión es una manifestación del principio de equivalencia por inducción. La imagen SE más pura es (e) y la EEB más pura es (h). La imagen (f) tiene características SE predominantes, mientras que (g) tiene una contribución comparable tanto de SE como de EEB. Las imágenes (a) y (b) están dominadas por SE con alguna contribución a la EEB, mientras que (c) y (d) tienen una contribución comparable tanto por SE como por BSE.
Las áreas muy brillantes en el material FG son el resultado de un rendimiento de señal de muestra genuinamente alto y no de una carga errática u otros artefactos familiares con plásticos en vacío SEM. El alto rendimiento de los bordes, la incidencia oblicua, etc. se puede estudiar por primera vez a partir de las superficies verdaderas sin obstrucción en ESEM. La carga suave, si está presente, puede producir un contraste estable característico de las propiedades del material y puede usarse como medio para estudios de la física de las superficies. [10] Las imágenes que se presentan en esta serie son reproducciones de papel fotográfico con ancho de banda limitado, en las que intentar resaltar los detalles en las áreas oscuras resulta en saturar las áreas brillantes y viceversa, mientras que la película negativa suele contener mucha más información. . La manipulación electrónica de la señal junto con los gráficos por computadora modernos puede superar algunas limitaciones antiguas de imágenes.
Se muestra un ejemplo del GDD funcionando a bajo voltaje con cuatro imágenes del mismo campo de visión de un mineral pulido que contiene aluminio, hierro, silicio y algunas impurezas superficiales desconocidas. El electrodo de ánodo es un solo alambre delgado colocado en el costado y debajo de la superficie de la muestra, a varios mm de distancia. [11] La imagen (a) muestra predominantemente el contraste SE a baja presión, mientras que (b) muestra el contraste del material BSE a mayor presión. La imagen (c) muestra la catodoluminiscencia (CL) de la superficie de la muestra mediante el uso de vapor de agua (que no centellea), mientras que (d) muestra una señal de fotón adicional al cambiar el gas a aire que centellea por los electrones de señal que se originan en la muestra. Este último parece ser una mezcla de CL con SE, pero también puede contener información adicional de la carga de contaminantes de la superficie en un grado variable con la presión del gas.
El GDD a alto voltaje tiene claras ventajas sobre el modo de bajo voltaje, pero este último puede usarse fácilmente con aplicaciones especiales como a presiones muy altas donde el BSE produce una alta ganancia de ionización a partir de su propia alta energía, o en los casos en que el eléctrico el campo requiere ser moldeado para fines determinados. En general, el detector debe diseñarse para funcionar tanto a niveles altos como bajos de polarización, incluida la polarización negativa variable (retardo de electrones) [7] con una importante generación de contraste.
Se han previsto otras mejoras, como el uso de materiales de electrodos especiales, la composición del gas y la configuración de la trayectoria de los electrones de detección mediante campos eléctricos y magnéticos especiales (página 91). [4]
Nuevos desarrollos
Los principios descritos anteriormente se han mejorado aún más en ESEM con la detección de electrones secundarios y retrodispersados para imágenes en 3D con el método de detectores múltiples de Slowko et al. [12] Fitzek y col. han rectificado algunos inconvenientes de un ESEM comercial disponible optimizando el sistema de limitación de presión y la detección de electrones secundarios, lo que da como resultado imágenes de alta calidad. [13]
Implementaciones comerciales
La primera implementación comercial del GDD fue realizada por ElectroScan Corporation [14] empleando el acrónimo ESD para "detector secundario ambiental", que fue seguido por una versión mejorada denominada "detector de electrones secundarios gaseosos" (GSED). El uso del campo magnético de la lente del objetivo del microscopio se ha incorporado en otra patente comercial. [15] La empresa LEO (ahora Carl Zeiss SMT [16] ) ha utilizado el modo de centelleo y el modo de ionización (aguja) del GDD en sus SEM ambientales en un rango de presión bajo y también extendido.
Referencias
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- ^ Danilatos, GD (1983a) Dispositivo detector de gases para un microanalizador de sonda de electrones ambiental. Divulgación de investigación núm. 23311: 284.
- ^ Danilatos, GD (1983). "Un dispositivo detector de gases para un SEM ambiental". Micron y Microscopica Acta . 14 (4): 307–318. doi : 10.1016 / 0047-7206 (83) 90002-X .
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