Elektronová mikroskopie, mikroanalýza a difrakce na ÚMCH AV ČR

M. Šlouf, E. Pavlova, D. Králová, J. Hromádková, H. Vlková, M. Lapčíková

Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i., Heyrovského nám. 2, 16206 Praha, ČR

slouf@imc.cas.cz

Keywords: scanning and transmission electron microscopy, energy-dispersive analysis of X-rays, microanalysis, electron diffraction

Abstract

Institute of macromolecular chemistry (IMC) is equipped with two modern electron microscopes: field-emission gun scanning electron microscope Quanta 200 FEG (SEM; produced by FEI, Czech Republic) and transmission electron microscope Tecnai G2 Spirit Twin 12 (TEM; produced by FEI, Czech Republic). Both microscopes are equipped with a detector for energy-dispersive analysis of X-rays (EDX), by means of which the elemental microanalysis can be performed. Research at IMC is focused on synthetic polymers, copolymers, their blends and composites. Nevertheless, the microscopes are employed also in the studies of inorganic materials and/or crystals. The inorganic materials are either used as fillers in polymer composites or they originate from external collaborations.

Due to resolution, field of view and other aspects of microscopic work, SEM microscopy is usually used for studies of microcrystals, whereas TEM microscopy is usually applied on nanocrystals. Morphology of microcrystals is easily observed in SEM/SE (detection of secondary electrons in SEM), while morphology of nanocrystals is readily visualized in TEM/BF (bright field imaging in TEM). Elemental composition of the micro- and nanocrystals can be assessed by SEM/EDX and TEM/EDX (detection of characteristic X-rays in SEM and TEM, respectively). Crystal structure can be studied by TEM/SAED and TEM/ED (selected area electron diffraction and aperture-less electron diffraction in TEM). This contribution illustrates the application of all above mentioned modes (SEM/SE, SEM/EDX, TEM/BF, TEM/EDX and TEM/SAED) on studies of inorganic crystalline materials.

As for the electron diffraction studies, the microscopic laboratory at IMC has experimental and software equipment for microcrystalline and nanocrystalline powders. Single crystals are studied only within external collaborations, mostly due to the fact that they are very rarely used in the field of synthetic polymers.

Úvod

Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i (dále ÚMCH) je vybaven dvěma moderními elektronovými mikroskopy: rastrovacím elektronovým mikroskopem s autoemisní tryskou (SEM; typ Quanta 200 FEG) a transmisním elektronovým mikroskopem (TEM; typ Tecnai G2 Spirit). Oba mikroskopy jsou navíc vybaveny detektory pro energiově-disperzní analýzu paprsků X (EDX), pomocí nichž lze provádět mikroprvkovou analýzu vzorků. Výzkum na ÚMCH se zaměřuje především na syntetické polymery, kopolymery, polymerní směsi a kompozity. Oba elektronové mikroskopy se nicméně využívají při studiu anorganických materiálů a krystalů. Existují pro to dva hlavní důvody: za prvé se anorganické materiály často používají jako plnivo do polymerních kompozitů a za druhé jsou anorganické materiály na ÚMCH studovány v rámci spoluprací s externími pracovišti.

Vzhledem k rozlišení, šířce zorného pole a dalším problémům spojeným s vlastnostmi a přípravou vzorků jsou zpravidla SEM mikroskopy používány pro studium mikrokrystalů, zatímco TEM mikroskopy se využívají převážně pro studium nanokrystalů. Morfologii mikrokrystalů lze pozorovat v režimu SEM/SE (detekce sekundárních elektronů v SEM), morfologii nanokrystalů v TEM/BF (zobrazení světlého pole v TEM). Prvkové složení mikrokrystalů je možné získat v režimu SEM/EDX (detekce charakteristických paprsků X v SEM), prvkové složení nanokrystalů lze analogicky získat v TEM/EDX. U nanokrystalů lze navíc studovat i krystalickou strukturu v režimech TEM/SAED a TEM/ED (elektronová difrakce se selekční clonou nebo bez selekční clony v TEM). Příklady jsou uvedeny v následujícím textu.

Pokud jde o elektronovou difrakci, mikroskopická laboratoř na ÚMCH má přístrojové a softwarové vybavení zejména pro analýzu práškových vzorků. Monokrystaly jsou studovány velmi zřídka a prakticky jen ve spolupráci s externími pracovišti. Hlavním důvodem je skutečnost, že v oblasti syntetických polymerů se monokrystaly vyskytují či používají jen výjimečně.

Krystalické materiály studované na ÚMCH

Anorganické krystalické materiály studované na ÚMCH lze rozdělit do dvou skupin. Do první skupiny patří materiály používané jako plniva do polymerních kompozitů. V současné době jsou populární především nanokompozity. Jako plniva do nanokompozitů se nejčastěji používají 2D-nanomateriály, především vrstevnaté silikáty (montmorillonit a jeho modifikace), LDH (layered-double hydroxides) ap. Lze ovšem použít i 1D-nanomateriály (uhlíková vlákna a nanotrubky) a ve speciálních aplikacích se uplatňují také 0D-nanomateriály (kovové nanočástice, nanočástice TiO₂, CaCO₃). Druhou skupinu anorganických krystalických materiálů studovaných na ÚMCH tvoří různorodá směs látek či částic, u nichž jsou prováděny morfologické, mikroprvkové či difrakční analýzy v rámci externích spoluprací (např. ÚACH AV ČR, PřF UK, Dálniční stavby Praha).

Experimentální vybavení pro elektronovou mikroskopii, spektroskopii a difrakci

SEM mikroskop. Rastrovací elektronový mikroskop Quanta 200 FEG (FEI, Česká republika) má autoemisní trysku (hot FEG), takže při maximálním urychlovacím napětí 30 kV dosahuje rozlišení 2 nm. Standardně pracuje v režimu vysokého vakua (tlak v komoře mikroskopu kolem 10^-3 Pa), ale dokáže pracovat i v nízkovakuovém (tlak kolem 100 Pa) a environmentálním režimu (tlak kolem 1000 Pa). Z hlediska anorganických materiálů to znamená, že nevodivé anorganické vzorky nemusíme pokrývat tenkou vodivou vrstvou kovu, neboť plyn přítomný v komoře mikroskopu odvádí náboj ze vzorku k (uzemněným) stěnám komory. Mikroskop je vybaven celou řadou detektorů, ale pro studium mikrokrystalických materiálů jsou důležité především detektory SE (secondary electrons) a EDX (energy-dispersive analysis of X-rays). Detektor SE umožňuje sledovat morfologii (tvary a velikosti se zhora uvedeným maximálním rozlišením 2 nm), zatímco detektor EDX umožňuje mikroprvkovou analýzu vzorků (elementární analýzu s rozlišením = 20 mm).

TEM mikroskop. Transmisní elektronový mikroskop Tecnai G2 Spirit Twin 12 (FEI, Česká republika) má LaB₆ katodu a dosahuje při maximálním urychlovacím napětí 120 kV rozlišení kolem 0,3 nm. TEM mikroskop může pracovat v několika režimech, z nichž pro studium nanokrystalických materiálů používáme zejména tři: TEM/BF (Bright Field imaging, základní režim TEM mikroskopu), TEM/EDX (analogicky jako u SEM mikroskopu výše) a TEM/SAED (selected-area electron diffraction, elektronová difrakce). Pro elektronovou difrakci lze využít i režim TEM/ED (aperture-less electron diffraction), který je v zásadě analogií TEM/SAED až na to, že místo na vzorku nevybíráme pomocí selekční clony, ale přímo pomocí elektronového svazku. V obou difrakčních režimech dokáže mikroskop měřit difrakce zhruba v rozsahu difrakčních vektorů q = 4*pi*sin(Theta)/Lamda = 1–20 A^-1, což by v XRD difrakci při použití záření MoKa přibližně odpovídalo rozsahu difrakčních úhlů Theta = 5–90 deg.

Příprava vzorků. Klíčovou součástí elektronové mikroskopie je příprava vzorků. Lze konstatovat, že kvalita dosažených výsledků je ovlivněna v první řadě vhodnou přípravou vzorku a až v druhé řadě kvalitou mikroskopu. Detailní popis přípravy není tématem tohoto příspěvku, takže se omezíme na konstatování, že na ÚMCH je k dispozici kompletní vybavení pro přípravu tzv. měkkých vzorků (syntetické polymery, biopolymery), ale i základní vybavení pro studium tzv. tvrdých vzorků (anorganické materiály, keramika, kovy) ve formě mikroprášků, nanoprášků i kusových vzorků. Dvě výjimky, které na ÚMCH nejsou v současné době možné: (i) speciální příprava biologických preparátů pro TEM, (ii) speciální příprava ultratenkých vrstev kusových tvrdých materiálů pro TEM.

Software pro elektronovou mikroskopii, spektroskopii a difrakci

Elektronová mikroskopie v zásadě poskytuje tři druhy výstupů: (i) přímé obrazy, (ii) spektra a (iii) difrakční obrazy. Ze shora uvedených režimů elektronové mikroskopie spadají do kategorie přímých obrazů režimy SEM/SE a TEM/BF, do kategorie spekter SEM/EDX a TEM/EDX a do kategorie difrakčních obrazů spadá režim TEM/SAED a jeho varianta TEM/ED.

Mikroskopie, analýza přímých obrazů. Přímé mikroskopické obrazy neboli mikrofotografie ukazují morfologii neboli strukturu materiálů. V případě mikrokrystalických a nanokrystalických vzorků se jedná zejména o velikosti a tvary objektů. Proces určování velikostí a tvarů objektů na mikrofotografiích se nazývá obrazová analýza (image analysis). Ve většině případů se nejedná o jednoduchou záležitost a je třeba použít specializovaný software (image analysis software). Na ÚMCH používáme zavedený software NIS Elements (dříve prodávaný pod názvem Lucia), který dodává česká firma LIM [1]. Nekomerční alternativou, která ovšem není plnou náhradou, může být například program ImageJ [2].

Spektroskopie, analýza EDX spekter. Mikroskopická spektra se téměř výhradně vyhodnocují pomocí specializovaného komerčního software, který je dodáván přímo s daným mikroskopem. V našem případě se u SEM i TEM mikroskopu jedná o software firmy EDAX [3]. Kvalitativní (nikoli však kvantitativní) interpretace EDX spekter lze ovšem provádět i "ručně", za pomoci libovolného kvalitního programu schopného efektivně zobrazovat data ve formě grafů, v našem případě se osvědčil volně šiřitelný program GNUplot [4], který lze též využít pro přípravu vysoce kvalitních finálních grafů pro publikace.

Difrakce, analýza ED difraktogramů. Elektronové difraktogramy se vyhodnocují poněkud odlišně podle toho, jedná-li se o záznamy monokrystalů či práškových vzorků. Jak již bylo konstatováno v úvodu, na ÚMCH analyzujeme téměř výhradně práškové elektronové difraktogramy. Ke zpracování elektronových difraktogramů používáme volně šiřitelný program ProcessDiffraction [5]. Ke kontrolním výpočtům rentgenových difraktogramů ze známých struktur využíváme volně šiřitelný program PowderCell [6]. Program PowderCell sice umožňuje jen výpočty práškových XRD, nikoli ND, ale praxe ukazuje, že pro kvalitativní srovnání experimentu a teoretického výpočtu je kombinace programů ProcessDiffraction a PowderCell naprosto dostatečná. Pro rutinní srovnání experimentu (výstup z programu ProcessDiffraction) a teoretického výpočtu struktury (výstup z programu PowderCell) využíváme vlastní balík MDIFF, který je kombinací příkazových skriptů Windows, skriptů programu GNUplot [4] a skriptů jazyka Perl [7].

Příklady z praxe

Režim SEM/SE, morfologická analýza mikrokrystalů. Pro zviditelnění velikostí a tvarů mikrokrystalů se zpravidla používá režim SEM/SE (obr. 1). Rozlišení SEM mikroskopů (u moderních strojů v jednotkách nm) je pro mikrokrystaly více než dostatečné. Kontrast je dán především dvěma skutečnostmi. Za prvé je intenzita signálu v SE úměrná sklonu plochy, z níž se sekundární elekrony uvolňují, což je podstatou topografického kontrastu (topographic contrast). Za druhé se z ostrých hran uvolňuje více sekundárních elektronů, což se nazývá hranový jev (edge effect).

Obr. 1. SEM/SE mikrofotografie ukazující mikrodráty Ag (spolupráce s ÚACH AV ČR, Dr. Tomáš Baše).

Režim SEM/EDX, prvková analýza mikrokrystalů. Pokud potřebujeme znát prvkové složení mikrokrystalů, lze využít režimu SEM/EDX. Při kvantitativní analýze EDX spekter se zpravidla používá model ZAF (název modelu vychází se skutečnosti, že při výpočtu se berou v úvahu atomová čísla prvků Z, absorpce v daném materiálu A a fluorescence v daném materiálu F). Jelikož zpravidla nejsou k dispozici standardy, je nutno použít tzv. bezstandardovou analýzu (standardless ZAF analysis). V takovém případě jsou ovšem výsledky spíše na semikvantitativní úrovni (obr. 2).

Obr. 2. SEM/EDX kvantitativní analýza; ilustrace přesnosti nejčastěji používané bezstandardové ZAF analýzy na modelovém příkladu monokrystalu modré skalice CuSO₄ × 5H₂O.

Režim TEM/BF, morfologická analýza nanokrystalů. Pro zviditelnění velikostí a tvarů nanokrystalů lze využít režimu TEM/BF (obr. 3). Rozlišení TEM mikroskopů (u moderních strojů v desetinách nm) je pro danou aplikaci více než dostatečné. Kontrast bývá v případě anorganických materiálů také zpravidla dostatečný; uplatňují se zejména dva typy kontrastu – absorpční kontrast (Z contrast, mass-thickness contrast; elektrony jsou zčásti či zcela ve vzorku pohlceny) a difrakční kontrast (diffraction contrast; elektrony jsou difraktovány do jiného směru a nedopadnou na detektor).

Obr. 3. TEM/BF mikrofotografie ukazující core-shell AgAu nanokrystaly (spolupráce s PřF UK, Dr. Ivana Šloufová).

Režim TEM/EDX, prvková analýza nanokrystalů. Pokud potřebujeme znát prvkové složení nanokrystalů, lze využít režimu TEM/EDX (obr. 4), který je až na drobnosti technického charakteru analogický režimu SEM/EDX (viz výše). V odstavci věnovanému režimu SEM/EDX byla dokumentována omezená přesnost mikroprvkových analýz; toto omezení se týká i TEM/EDX. Nicméně obr. 4 ilustruje, že pomocí EDX dokážeme často detekovat i stopová množství prvků.

Obr. 4. Část TEM/EDX spektra polymerního kompozitu (horní spektrum) a samotné polymerní matrice (dolní spektrum); v polymerním kompozitu byl jako plnivo použit vrstevnatý materiál LDH dopovaný porfirinem s malým množstvím navázaného Ag a Pd. TEM/EDX analýza jednoznačně prokázala přítomnost porfirinu, interkalovaného ve vrstevnaté struktuře LDH (spolupráce s ÚACH AV ČR, Dr. Kamil Lang).

Režim TEM/SAED, elektronová difrakce na práškových nanokrystalech. Krystalovou strukturu nanokrystalů lze studovat pomocí režimu TEM/SAED nebo analogického režimu TEM/ED (obr. 5). Na ÚMCH využíváme téměř výhradně elektronovou difrakci na práškových vzorcích. Experimentálně získané elektronové 2D-difraktogramy jsou převedeny na 1D-difraktogramy (tečkované čáry na obr. 5) pomocí programu ProcessDiffraction [5] a srovnány s teoreticky vypočtenými XRD difraktogramy pomocí programu PowderCell [6]. Obr. 5 dokládá, že navzdory dynamickým efektům je elektronová difrakce u nanokrystalických prášků poměrně dobře srovnatelná s rentgenovou difrakcí.

Obr. 5. Srovnání experimentálních TEM/SAED (tečkovaná čára) a vypočtených PXRD (plná čára) difraktogramů pro dvě nejčastější modifikace TiO₂: anatas (horní difraktogram) a rutil (dolní difraktogram). TiO₂ nanočástice s průměrnou velikostí okolo 1 mikrometru se používají jako plnivo do polymerních matric.

Závěr

Laboratoř elektronové mikroskopie na Ústavu makromolekulární chemie AV ČR se specializuje především na studium morfologie syntetických polymerů. Nicméně k dispozici je i experimentální vybavení, software a zkušenosti, které umožňují studium morfologie, prvkového složení a krystalové struktury mikrokrystalů a nanokrystalů. Elektronové mikroskopy jsou využívány nejen pro vlastní projekty ÚMCH zaměřené na syntetické polymery, ale i v rámci externích spoluprací s českými a zahraničními partnery; stroje jsou tudíž k dispozici i pro případné další spolupráce v rámci Československé krystalografické společnosti.

Literatura

1. NIS Elements; http://www.nis-elements.cz/

2. ImageJ; http://rsbweb.nih.gov/ij/

3. Software for EDX analysis; http://www.edax.com/products/xray.cfm

4. GNUplot; http://www.gnuplot.info/

5. ProcessDiffraction; http://www.mfa.kfki.hu/~labar/ProcDif.htm

6. PowderCell; http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/powdcell/index.html

7. Perl; http://www.perl.org/

Poděkování.

Autoři děkují za finanční podporu umožňující velmi nákladný provoz elektronových mikroskopů zejména následujícím grantovým projektům: KAN200520704, AVOZ40500505 (AV ČR) a P205/10/0348 (GAČR).