Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА НАНОМЕТРОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
УДК 543.427.34
ОТЧЁТ ПО НИР
на тему:
РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ ЛАТУНИ
И ТОНКИХ ПЛЁНОК HfZrO.
ZAF-КОРРЕКЦИЯ.
Долгопрудный 2014
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы,
м.н.с
___________________________ Е.В. Коростылев
подпись, дата
Исполнители темы
____________________________ Д.В. Додонов
подпись, дата
____________________________ А.А. Сапегин
подпись, дата
2
Реферат
Отчет 14 с., 1 ч., 7 рис., 5 табл.
РЕНТГЕНОВСКАЯ
МИКРОСКОП,
МИКРОСКОПИЯ,
СПЕКТРОМЕТР
С
РАСТРОВЫЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ЭЛЕКТРОННЫЙ
ДИСПЕРСИЕЙ,
ZAF
КОРРЕКЦИЯ, ЛАТУНЬ, ТОНКАЯ ПЛЁНКА HfZrO.
Объектом исследования являются: латунь (образец №1) и тонкая плёнка HfZrO
(образец №2).
Цель работы — изучение метода ZAF коррекции, получение навыков анализа и
обработки данных, измерение весовой и атомной долей в образцах, определение марки
латуни и толщины плёнки HfZrO.
В работе использовался микроскоп FEI Quanta 200, оснащённый спектрометром с
энергетической дисперсией, с помощью которого были получены спектры исследуемых
объектов и эталонных образцов.
В результате работы определены весовые и атомные доли элементов в образцах,
марка сплава и отношения массовых толщин плёнок.
3
Содержание
Обозначения .....................................................................................................5 стр.
Основная часть ..................................................................................................6 стр.
Выводы ..............................................................................................................14 стр.
4
Обозначения и сокращения
РЭМ – растровый электронный микроскоп
ЭДС – спектрометр с энергетической дисперсией
FWHM – ширина на полувысоте (full width at half maximum)
5
Основная часть
1. Оборудование
В работе использовался РЭМ FEI Quanta 200 (Рисунок 1), оснащённый
спектрометром с энергетической дисперсией, с помощью которого были получены
спектры исследуемых объектов и эталонных образцов. В первом приближении
интенсивность спектральной линии пропорциональна весовой доли элементов. Для
получения более точного результата применяют ZAF-коррекцию: поправку на атомный
номер, поглощение излучения в образце и флуоресценцию.
Рисунок 1 – Микроскоп FEI Quanta 200
6
Принципиальная схема РЭМ представлена на Рисунке 2. Тонкий электронный зонд
генерируется
электронной
(электромагнитами).
пушкой
Сканирующие
и
фокусируется
катушки
отклоняют
электронными
линзами
зонд
взаимно
в
двух
перпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом. В результате
взаимодействия между электронным зондом и образцом генерируется рентгеновское
излучение,
регистрируемое
ЭДС.
Когда
материалом
детектора
поглощается
рентгеновский фотон, он генерирует Оже-электроны и фотоэлектроны, передающие часть
своей энергии электронам валентной зоны, которые переходят в зону проводимости.
Таким образом, каждый рентгеновский фотон, попадающий в детектор, формирует
короткий импульс электрического тока, создаваемый электронами и «дырками»,
движущимися в противоположных направлениях под воздействием приложенного к
детектору напряжения смещения электрического поля.
Рисунок 2 – Схема РЭМ
7
2. Исследование образца №1
Для анализа спектров использовалась программа NIST DTSA-II. С помощью
функции Strip background из спектров вычитался шум. Для определения весовой доли Cu и
Zn сравнивались интенсивности Ka линий исследуемого образца с чистыми, эталонными
(Рисунок 3).
Рисунок 3 – Спектры чистых образцов и образца №1
В случае неперекрывающихся спектральных линий (Cu K-L3) интенсивность I
считалась равной сумме её значений на отрезке, который определялся двумя способами. 1
способ: отрезок включает в себя пик данной линии, имеет максимальную длину и
включает в себя только положительные значения интенсивности. 2 способ: отрезок
определялся как FWHM.
8
Рассчитываем искомые весовые доли по формуле первого приближения
микроанализа:
I i Ci
I i* Ci*
Второй способ давал незначительно меньшее значение весовой доли в образце №1,
чем первый. Результат считался как среднее арифметическое обоих методов. Разброс
(~0.2%) не учитывался при подсчёте погрешностей. Статистическая ошибка (N-1/2) ~
0.6%.
В
случае
аппроксимировался
перекрывающихся
двумя
спектральных
гауссовыми
кривыми
линий
(Zn
(Рисунок
K-L3),
4).
график
Погрешность
аппроксимации (с учётом разброса для неперекрывающейся линии эталонного Zn) ~ 0.6%,
статистическая ~ 0.7%, итоговая ~0.9 %.
Рисунок 4 – Аппроксимация спектра образца №1
Для уточнения результатов вычислений используется метод ZAF-коррекции,
учитывающий поправку на атомный номер, поглощение излучения в образце и
флуоресценцию. Она вводит в уравнение для массовых долей коэффициенты Z, A, F:
9
Для ZAF-коррекции использовался алгоритм XPP (Pouchou&Pichoir Simplified). В
инструменте Quantification alien выставлялись параметры Beamenergy – 29.989 keV, Takeoff angle – 35°, Sample tilt – 0°, Probe – 1.0 nA. Полученные результаты приведены в
таблице 1.
Таблица – 1
Первое приближение
I*10
Эталоны
-3
ZAF-коррекция
С, %
С, %
СN, %
n, %
Cu
157.8
-
-
-
-
Zn
133.8
-
-
-
-
Образец
Cu
93.4
59.1±0.4
58.3±0.4 59.8±0.4 60.5±0.4
№1
Zn
52.3
39.1±0.4
39.1±0.4 40.2±0.4 39.5±0.4
C – весовая доля элемента,
СN – нормированная доля элемента,
n – нормированная атомная доля.
В спектре образца №1 присутствуют линии Pb (Рисунок 5), а также пик потерь
(Рисунок 6).
Рисунок 5 – Спектральные линии Pb
10
Рисунок 6 – Пик потерь Cu
Из таблицы 1 следует, что весовая доля Pb не более 2.6±0.6%. Таким образом, марка
исследуемого сплава ЛС59-1.
3. Исследование образца №2
Для определения долей элементов в образце, сравнивались спектры трёх тонких
плёнок: ZrO2, HfO2 и HfZrO (Рисунок 7). Интенсивность рассчитывалась аналогично
пункту 2. Полученные результаты приведены в таблице №2.
Рисунок 7 – Спектры плёнок
11
Таблица – 2
ZrO2 (1)
I*10-2
HfO2 (2)
HfZrO (3)
Zr (L)
O
Hf(Ma)
O
Hf (Ma)
Zr (L)
O
405
531
48
555
9
104
437
Интенсивность рентгеновского излучения определенной линии элемента i равна:
(1)
– коэффициент, характеризующий данную линию элемента i;
Сi - весовая доля элемента i в образце;
– атомный вес элемента i;
ρ – плотность образца;
z – толщина образца.
Преобразовав систему уравнений (1), записанную для разных элементов в трёх
плёнках, получим:
Основной вклад в погрешность внесли методический разброс (см. Пункт 2) в
определении отношения интенсивностей металлов (~4%) и статистическая ошибка в
нахождении интенсивности Hf в исследуемом образце (~3%).
Сумма массовых долей элементов в плёнке HfZrO равна 1:
(2)
Учтя соотношение (2), получили результаты, приведённые в таблице №3.
Таблица – 3
С, %
n, %
Hf
41.3±1.5
9.3±0.3
Zr
27.5±0.6
12.1±0.3
O
31.3±0.8
78.6±2.0
12
Из уравнений (1) так же посчитали отношения массовых толщин плёнок:
Таким образом,
.
13
Выводы:
В ходе работы:
1.
Изучены методы ZAF-коррекции;
2.
Получены весовые и атомные доли элементов в образце №1 (Таблица №4);
Таблица – 4
С, %
n, %
Cu
58.3±0.4 60.5±0.4
Zn
39.1±0.4 39.5±0.4
3.
Определена марка сплава: ЛС59-1;
4.
Получены весовые и атомные доли элементов в образце №2 (Таблица №5);
Таблица – 5
5.
С, %
n, %
Hf
41.3±1.5
9.3±0.3
Zr
27.5±0.6
12.1±0.3
O
31.3±0.8
78.6±2.0
Посчитаны отношения массовых толщин тонких плёнок:
.
14
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв