ทฤษฎีในการศึกษา
ความสัมพันธ์เลขอะตอมกับการเกิดอิเล็กตรอนสะท้อนกลับ (Electron Scattering: BSE) เมื่อลำอิเล็กตรอนที่ผลิตจาก filament ผ่านเข้าสู่ตัวอย่างโดยสมบูรณ์ เกิด Interaction จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนสะท้อนกลับซึ่งถูกดีดออกมาจากด้านบนพื้นผิวตัวอย่างด้วยมุมค่าๆหนึ่ง ในการเกิดสัญญาณ BSE นั้น จะเริ่มเห็นและสามารถวัดได้ ที่ค่าพลังงาน accelerating voltage ที่ 50 eV ดังนั้นสามารถหา จำนวนอิเล็กตรอนสะท้อนกลับ ออกมาจากพื้นผิววัสดุ ได้จากค่าความสัมพันธ์ สัมประสิทธิ์การกระเจิงสะท้อนกลับ (Backscattering Coefficient) ดังนี้
= Number of electrons backscattered จำนวนอิเล็กตอนสะท้อนกลับ
= Number of beam electrons incident on specimen จำนวนอิเล็กตอนทั้งหมดที่ยิงลงบนตัวอย่าง
ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ (Backscattering Coefficient) จะขึ้นกับเลขอะตอมเฉลี่ยในสารตัวอย่าง ซึ่งมีความสัมพันธ์โดยว่า
เมื่อกำหนด 1-30 คือ Atomic number เลขอะตอมที่ศึกษา
ด้วยความสัมพันธ์ (2) นี้เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น ก็ส่งผลต่อการเกิดอิเล็กตรอนสะท้อนกลับและสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ มีค่ามากขึ้นไปด้วยแบบ monotonically increasing ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของ Backscattering Coefficient กับเลขอะตอมในสสารตัวอย่าง ทำให้เกิดความแตกต่างของสัญญาณ BSE ที่แตกต่างกัน ขึ้นกับตัวอย่างทดสอบ โดยเปรียบเทียบจากการวัดความแตกต่างของสีในช่วง gray scale (BSE signal contrast) ถ้าถ่ายภาพจากตัวอย่างที่มีส่วนผสมกัน 2 phase ที่มีเลขอะตอมต่างกันอย่างนัยสำคัญ เช่น ธาตุเบา กับธาตุหนัก โดยกำหนดการใช้พลังงานอิเล็กตรอนที่เท่ากัน บริเวณที่มีเลขอะตอมสูงๆ จะให้ สัญญาณ BSE มีจำนวนมาก Backscattering Coefficient ที่มีค่าสูง สีของภาพจะมีความสว่างตามเลขอะตอมเฉลี่ยบริเวณนั้น บริเวณที่มีเลขอะตอมต่ำ สัญญาณ BSE มีจำนวนน้อย จะให้ Backscattering Coefficient ที่มีค่าน้อย สีของภาพจะให้มีความมืดหรือสีเทา ตามเลขอะตอมเฉลี่ยบริเวณนั้น ซึ่งเราสามารถเพิ่มจำนวน BSE ได้ เพื่อให้ภาพที่ชัดเจนและแยกความแตกต่างได้ จากการเพิ่มหรือลดค่าพลังงานของอิเล็กตรอน กับจำนวนอิเล็กตรอนที่ใส่ไปที่ผิวตัวอย่าง
รูปที่ 1 แสดงกราฟความสัมพันธ์ของจำนวนอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดประเภทสัญญาณกับค่าพลังงาน ซึ่งจะเห็นว่า BSE จะเริ่มเกิด accelerating voltage ที่ 50 eV
การเตรียมตัวอย่างทดสอบ และวิธีการในการใช้ศึกษาผลกระทบค่าพลังงานกับการเกิดสัญญาณ BSE ในวัสดุ
1. เลือกตัวอย่างการทดสอบ คือ Graphene + CuNi Graphene + MoS2 และ Graphene + Palladium (Pd) โดยอยู่ในลักษณะ powder mixed metal การเตรียมตัวอย่างทดสอบจะทำการกระจายผงลงใน Carbon tape
รูปที่ 2 แสดงการเตรียมตัวอย่างประเภท powder
2. การทำการทดลองจะใช้เครื่อง SEM model FE-SEM SU8230 ทำการถ่ายภาพตัวอย่างที่เตรียมไว้ ซึ่งจะใช้พลังงานอิเล็กตรอน Accelerating Voltage (keV) ที่ระดับพลังงาน 1, 3, 5 และ 10 kV และเลือกใช้ Detector BSE LA-BSE ตั้งค่า working distance ที่ 4 mm ควบคุมสภาวะการทดสอบ ความสว่าง ความคมชัดและตัวแปรอื่นของการบันทึกภาพให้สอดคล้องกัน จากนั้นนำข้อมูลผลการถ่ายรูปมาวิเคราะห์ เปรียบเทียบ
รูปที่ 3 แสดงตำแหน่งติดตั้ง Detector BSE ของ FESEM-SU8230
ผลการศึกษาทฏษฏีการเกิดสัญญาณ BSE และวิเคราะห์ภาพถ่ายตัวอย่างโครงสร้างนาโน โดยใช้ Detector BSE จากเครื่อง SEM model FE-SEM SU8230
นำสมการ (2) มาแทนค่า หาความสัมพันธ์
1. ความสัมพันธ์ระหว่าง Backscattering Coefficient กับ Atomic Number Z โดยกำหนดให้พลังงานอิเล็กตรอนอยู่ที่ 20 kV จะเห็นได้ว่า ถ้าเลขอะตอมมีการเปลี่ยนแปลง เพิ่มขึ้น ค่า Backscattering Coefficient จะเพิ่มสูงขึ้นตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น โดยตามลำดับ แบบ Monotonic Function ที่จะให้สัญญาณ BSE มีความแตกต่างกัน ซึ่งวัดจากรูปถ่าย BSE Image เมื่อเทียบระดับ contrast ที่เกิดขึ้นจากรูปถ่าย
รูปที่ 4 แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กตรอนการกระเจิงกลับ กับ เลขอะตอม
1. 2. เมื่อกำหนดให้มีค่าพลังงานอิเล็กตรอน 1 kV, 3 kV, 5 kV และ 10 kV ตามลำดับ เห็นได้ชัดว่า ที่เลขอะตอมต่ำ การใช้พลังงานสูง จะให้ Backscattering Coefficient ที่ไม่ดี เท่ากับการใช้งานพลังงานอิเล็กตรอนที่ระดับต่ำ (1 kV, 3 kV) สำหรับการถ่ายภาพของตัวอย่างที่มีเลขอะตอมเฉลี่ยน้อย (low Z) แต่ถ้าเลขอะตอมเฉลี่ยตัวอย่างมีค่ามาก การใช้พลังงานอิเล็กตรอนที่ระดับสูงจะมีผลดีกับสัญญาณ BSE ที่เกิดขึ้น โดยพิจารณาจาก Backscattering Coefficient ที่เพิ่มขึ้น และเมื่อเปรียบเทียบกัน โดยสังเกตจากพลังงาน 10 kV กับ 1 kV ที่เลขอะตอมสูง Backscattering Coefficient มีความแตกต่างพอสมควร
รูปที่ 5 แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กตรอนการกระเจิงกลับ กับ เลขอะตอม โดยมีเปลี่ยนแปลงพลังงานอิเล็กตรอน ที่ 1, 3 ,5 และ 10 kV ตามลำดับ
3. เมื่อพิจารณาสมการ (2) และนำมาสร้างความสัมพันธ์ระหว่าง Backscattering Coefficient กับ พลังงานอิเล็กตรอน และให้มีเลขอะตอมคงที่ สำหรับธาตุหนึ่งๆ จะเห็นว่า เมื่อพลังงานสูงขึ้นค่า Backscattering Coefficient มีแนวโน้มที่ลดลงตามพลังงานอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น แต่จะได้ความแตกต่างกันของค่า Backscattering Coefficient ที่ชัดเจนขึ้น (ระยะห่างระหว่างกราฟ) ซึ่งทำให้ภาพมี contrast และ brightness ที่แตกต่างกันของรูปถ่ายตัวอย่างทดสอบ เช่น กราฟสีน้ำเงิน คือ C (คาร์บอน) เมื่อเทียบกับ Cu (ทองแดง) กราฟสีเทา และ Pd (แพลเลเดียม) กราฟสีส้มแดง ทำให้อนุมานได้ว่า สีภาพถ่าย BSE ของจากธาตุ C จะให้ลักษณะสีดำหรือสีเทา ส่วน Pd จะมีความสว่างที่สุด ถ้าเทียบกับ Cu เนื่องจาก Pd ให้ค่า Backscattering Coefficient ที่สูง ตามค่าพลังงานที่ใช้กับตัวอย่าง
รูปที่ 6 แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กตรอนการกระเจิงกลับ กับ พลังงานอิเล็กตรอน ของ เลขอะตอมธาตุ ที่แตกต่างกัน
เมื่อวิเคราะห์ SEM โดยการใช้ BSE detector เพื่อเป็นการแสดง Composition image และ Distribution particle mixed ในตัวอย่าง จะเห็นได้ว่า
(a)
(b)
(c)
(d)
รูปที่ 7 แสดงรูปถ่าย SEM โดยใช้ detectror BSE ที่พลังงาน 1, 3 ,5 และ 10 kV ตามลำดับ
จากภาพถ่าย SEM โดย Detector BSE ที่ตั้งค่า working distance ประมาณ 4 mm จากตัวอย่างถึงเลนส์โฟกัสวัตถุ ถ้าเรากำหนดพลังงานของอิเล็กตรอน เราสังเกตุได้
- ที่ 1 kV รูปถ่าย (a) และใช้ Detector BSE ในการถ่ายรูปและแยกแยะความแตกต่างระหว่างอนุภาคกับ Graphene Layer ก็สามารวัดสัญญาณ BSE ได้แล้วเพราะ BSE เริ่มเกิดที่ 50 eV ซึ่งจะสังเกตได้ว่าสีของ Graphene Layer จะเป็นสีดำหรือโทนมือ และ อนุภาค Pd ให้สีสว่างที่สังเกตได้ง่าย เนื่องจาก Graphene Layer เป็นธาตุคาร์บอน C ที่มีเลขอะตอมและมวลโมเลกุลที่แตกต่างจาก พาลาเดียม Pd ซึ่งจากกราฟความสัมพันธ์ข้อที่ 2 เลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น ยิ่งทำให้เกิดสัญญาณอิเล็กตรอนสะท้อนกลับ BSE เพิ่มตามไปด้วย และ
- เมื่อพิจารณา 3kV – 5kV รูปถ่าย (a) และ (b) จะเกิดการเปลี่ยนแปลง Backscattering Coefficient ที่ซึ่งส่งผลต่อ contrast ของภาพได้อย่างชัดเจน (เปรียบเทียบตัวอย่าง Graphene + Palladium (Pd)) ถ้าสังเกต Graphene layer ณ พลังงาน 3 kV เมื่อเทียบกับ 5 kV สีของ Graphene layer จะให้คนละเฉดสี ซึ่งแสดงให้เห็นตามกราฟความสัมพันธ์ข้อที่ 3 ที่แสดงให้ว่า Backscattering Coefficient จะลดลงเล็กน้อยเมื่อเพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนที่เข้าไปที่ตัวอย่าง ทำให้เกิด contrast ที่แตกต่างกันได้ และเมื่อเทียบ อนุภาค Pd มีความสว่างที่แตกต่างกันเล็กน้อยโดยที่ พลังงาน 3 kV มีความสว่างกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ 5 kV และแยกความแตกต่างจาก Graphene layer เป็นซึ่งเป็นสีเทาได้อย่างชัดเจน
- เมื่อปรับพลังงานที่ 10 kV รูปถ่าย (d) จะเห็นได้ว่า สีของ Graphene layer จะมีเฉดสีที่สว่างกว่าเดิม และ ความสว่างของอนุภาคลดลง แต่ยังสามารถแยกความแตกต่างได้ เป็นผลมาจาก Backscattering Coefficient ของ คาร์บอน ลดลงเล็กน้อย เพราะ พลังงานอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น 10 kV จะมี ความสามารถการทะลุผ่าน (Penetration Depth) ที่มากกว่าเดิมทำให้สัญญาณ BSE ถูกลดทอนลงจากเนื้อตัวอย่าง จึงทำให้ detector ตรวจวัดได้จำนวนอิเล็กสะท้อนกลับได้ลดลงเล็กน้อย ทำไมสีของรูปถ่ายเกิดการเปลี่ยนแปลง
จากนั้น เมื่อเพิจารณาเทียบรูปถ่าย BSE จากตัวอย่างที่แตกต่างกัน โดยมีอนุภาคนาโน CuNi, MoS2 และ Palladium (Pd) ที่พลังงานอิเล็กตรอน 10 kV
(a)
(c)
(d)
รูปที่ 8 แสดงรูปถ่าย SEM โดยใช้ detectror BSE ที่พลังงาน 10 kV ของอนุภาคที่แตกต่างกัน (a) CuNi, (b) MoS2 (c) Pd
สังเกตเห็นได้ว่า อนุภาคนาโน จะให้ contrast ที่สว่างกว่า ชั้น Graphene layer ที่เป็นสีเทา ซึ่งถ้าเทียบกันระหว่างสีของอนุภาค จะพบกว่า Palladium (Pd) จะให้ความสว่างมากที่สุด เมื่อเทียบกับ MoS2 CuNi ตามลำดับของ เลขอะตอมและมวลโมเลกุลรวมเฉลี่ยของอนุภาค เพราะเนื่องจาก ความสัมพันธ์กราฟระหว่าง Backscattering Coefficient กับพลังงานอิเล็กตรอน ซึ่งเมื่อเทียบกันที่ 10 kV จะพบกว่า Backscattering Coefficient ของ Pd สูงที่สุด และ Mo, Cu ลดลงตามลำดับ และการที่สีของอนุภาคจะกลืนเข้าไปกับ Graphene layer เนื่องจาก Backscattering Coefficient ของธาตุต่างๆ จะลดลงเพียงเล็กน้อย จากการเพิ่มพลังงานอิเล็ดตรอนเข้าไป ซึ่งทำให้อิเล็กตรอน ทะลุผ่านตัวอนุภาคที่มีขนาดเล็ก จึงเกิดสัญญาณสะท้อนกลับน้อยกว่าพลังงานที่ต่ำๆ โดยอิเล็กตรอนตกกระทบในส่วนแค่ระดับชั้นผิวของอนุภาคเท่านั้น
สรุปผลการศึกษา BSE detector ของ FE-SEM SU8230
การใช้งาน detector BSE จะต้องคำนึงองค์ประกอบโดยรวมของตัวอย่างและ Condition Eletectron Microscopy ของการทดสอบ โดยมีปัจจัยคือ เลขอะตอม มวลโลเลกุล ขนาดอนุภาค การรวมกัน phase ที่สนใจ การกระจายตัวของตัวอย่าง การใช้พลังงานอิเล็กตรอน และ กระแสที่ตกกระทบตัวอย่าง เพื่อให้ผลการทดสอบ ถ่ายภาพตัวอย่าง มีความชัดเจน สวยงาม และสามารถนำไปใช้อธิบายลักษณะสันฐานและผลโดยรวมตัวอย่างทดสอบได้ถูกต้อง และแม่นยำ
เอกสารอ้างอิง
[1] Heinrich K F J: Interrelationships of sample composition. hack- scatter coefficient, and target current measurement. Adv X-Ray Analysis 7,325-339 (1964) Surname A and Surname B 2009 Journal Name 23 544
[2] Reimer L: Contrast in the different modes of SEM. Scanning Electron Microscopy: systems and applications. Inst of Physics, London – Bristol 1973, pp 120-125
[3] Seiler H: Determination of the ,,information depth” in the SEM. Scanning Electron Microscopy 197611. IITRI. Chicago. pp 9- 16
[4] DeNee P B: Measurement of mass and thickness of respirable dust particles by SEM backscatter electron microscopy. Scanning Electron Microscopy 197811, SEM Inc. AMF O’Hare. pp 77 1-746
Prathompoom Newyawong
Laboratory Officer, Microscopy Laboratory,
NSTDA Characterization and Testing Service Center (NCTC)
E-mail: prathompoom.newyawong@nstda.or.th