재료분석 기기 및 실험 4주차

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전기력과 자기력 (Electromagnetic Forces)
전기력 F와 자기력 B가 결합된 상황에서 전자의 속도(v)에 대한 영향 설명 (로렌츠 힘)

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전자 현미경 I: SEM 기본 원리

  • 전자빔과 물질 간의 상호작용
      - 상호작용 볼륨 (Interaction Volume)
      - 전자빔이 시료에 충격을 줬을 때 방출되는 신호:
        - 광자 및 전자 신호 (Photon and Electron Signals)
        - X선 (X-rays) - 두께에 따른 조성 정보 제공
        - 오거 전자 (Auger Electrons) - 표면 민감한 조성 정보 제공
        - 입사 빔 (Incident Beam) - 주 백산란 전자 (Primary Backscattered Electrons)
          - 원자 번호 및 정밀도 정보 제공
        - 카토돌루미네선스 (Cathodoluminescence) - 전기적 정보 제공
        - 이차 전자 (Secondary Electrons) - 표면 형태 정보 제공
        - 표본 전류 (Specimen Current)
          - 전기적 정보 제공

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충돌 현상

  • 탄성 충돌 운동 원리에 대한 설명:
      - 운동 보존에 의한 전자 발생 영역: σ 표현
      - 전자가 시료에 입사하면서 유도된 상대적 밝기 변화에 대한 설명
      - 다양한 원자 구조의 대조적인 밝기로 관측 가능.

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  • 전자빔의 탄성 및 비탄성 산란
      - 입사 전자빔이 시료 내에서 발생하는 신호 설명
      - 상호작용 볼륨은 가속전압 증가 시 커지고, 원자번호가 클 때 감소함.

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  • 상호작용 볼륨 증가 요인
      - 입사 전자빔은 시료 내에서 탄성과 비탄성 두 가지 형태로 산란됨
      - 다양한 신호 발생 (다음 슬라이드에서 설명)

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전자 현미경 I: SEM 기본 원리

  • 검출기 (Detectors)
      - 후방산란 전자 검출기 (Backscattered Electron Detector)
      - 이차전자 검출기 (Secondary Electron Detector): Everhart-Thornley 시스템

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  • 비탄성 상호작용에 의해 생산되는 이차 전자들:
      - 고 에너지 전자가 시료 원자에서 외각 전자와 반응하여 발생
      - 방출된 전자의 에너지가 50eV 이하인 이차 전자 정의
        - 입사 전자 하나가 여러 개의 이차 전자를 생산할 수 있음
      - 이차 전자의 발생 원인은 비탄성 산란에 의해 생성된 전자로, 개별 스팟보다 조금 더 큰 영역에서 발생함.

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이차 전자 (Secondary Electron)

  • 정의: 입사된 1차 전자빔이 시료 원자의 외각 전자와 비탄성 충돌하여 방출된 저에너지 전자.

  • 전자 에너지는 50 eV 미만이며 아래 요약된 주요 정보 제공:
      - 발생 깊이: 매우 얕은 수준(수십 나노미터, nm)
      - 공간 분해능: 3~10 nm
        - 높은 해상도 구현
      - 주 사용 검출기: E-T Detector (Everhart-Thornley) 사용.
      - 전자의 직경에 유사한 해상도 제공: 3~10 nm

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후방 산란 전자 (Backscattered Electrons, BSE)

  • 입사된 전자 중 일부는 원자의 전자기장에 의해 느려지며, 180° 이상의 산란 각도를 가질 경우 표면에서 탈출 가능

  • 고 에너지 전자로서, 주로 탄력적 산란을 연구하는데 사용됨

  • 높은 원자 번호의 물질에서 밝기가 증가함.

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  • 후방산란전자 분석
      - 후방산란 전자는 그들 사이에서 구체적인 조제를 알려줄 수 있는 대표적인 전자들.
      - 이차 전자의 상대적인 조성과 해상도 능력 설명.

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이차 전자(SE)와 후방산란 전자(BSE) 비교

  • 원자 번호 대비 산란량 증대

  • 기본 비교 항목 정리
      - 발생 에너지: SE <50 eV, BSE >50 eV
      - 발생 깊이: SE 약 5 nm, BSE ~100 nm
      - 공간 분해능: SE 3~10 nm, BSE 50~100 nm
      - 주요 정보: SE는 표면 형상 관찰, BSE는 조성 대비 관찰

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  • 스캔 유형
      - 주사 전자 현미경의 스캔 기술과 그 원리
      - 스캔 코일을 통한 시각화.

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  • 시각적 이미지 품질
      - 전자 발생과 관련하여 156 electrons 및 288 electrons라는 수치가 표현됨
      - 픽셀의 밝기가 이들 값에 비례함.

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웨널트 실린더 (Wehnelt Cylinder)

  • 금속판과 관련된 설명
      - 가속 전극의 역할 및 전자 운동량에 대한 수식.
      - 최적화 및 복합식.

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분해능 결정 요인 II

  • 작동 거리, 조리개 크기, 빔 전류 및 환경 요인의 영향을 포함한 분해능 최적화 요인 설명
      - 작업의 효율성과 신뢰성 증가를 위한 팁 정리

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시료 준비 1: 전도성 시료

  • 전도성 시료의 표면 세정, 마운팅 및 접지 확인 과정
      - 처리 전 시료 미세 구조 보존의 중요성 언급

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시료 준비 2: 비전도성 시료

  • 팩트와 비전도성 시료 코팅 준비 및 구축과 관련된 주의사항 설명
      - Charging 문제와 관련된 아티팩트 설명도 포함됨.

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  • 내부 수분 보존에 대한 언급과 진공 처리 위험 논의
      - 비전도성 시료를 보호하기 위한 대체 방법으로 저전압 관찰 제안됨.

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핵심 정리 및 Q&A

  • 이번 주 핵심 포인트 정리
      1. 전자 파장과 해상도 관계에 대한 설명
      2. SE와 BSE 신호 차이에 대한 요약
      3. SEM 시스템의 전체 메커니즘 요약
      4. 시료 준비 원칙 정리 및 중요성 재확인

  • 열린 질문과 토론의 중요성 강조.