71
MTT 656 Polymer Microscopy References 1. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum Press, USA, 1992, 2. “Polymer Microscopy”, edited by D.T.Grubb, 1987. 3. Microstructural Characterization of Materials”, edited by D.Brandon and W.D.Kaplan, Wiley, 2008.

MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

  • Upload
    hacong

  • View
    236

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

MTT 656 Polymer Microscopy References

1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Press, USA, 1992,

2. “Polymer Microscopy”, edited by D.T.Grubb, 1987.

3. “Microstructural Characterization of Materials”, edited by D.Brandon and W.D.Kaplan, Wiley, 2008.

Page 2: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Secondary electrons (SE)

From sample surface. An inelastic scattering. Energy of the SE are typically < 50 eV (compared with 10-30 kV of the

PE beam) SE yield () = [Number of SE go into the detector] / [Number of PE] SE yields mainly depends on the PE beam energy

Page 3: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Interaction volume

The interaction volume depends on beam energy (Eo) 10-30 keV (normal SEM) 100-300 keV (TEM)

The greater the Z, the bigger the interaction volume

Page 4: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Back scattering electrons (BE) BE = the PE which penetrate into sample surface and undergo several

scattering before travel back through the surface BE coefficient () = [No. of BE that go into the detector]/[No. of PE] mainly depends on the Atomic No (Z)

Page 5: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Comparison between BE and SE yields

SE: smaller interaction volume very close to the surface provide a better resolution more suitable for a surface

topography examination

BE mode is recommended to be

used for a compositional contrast image.

Page 6: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Image contrast

There are 2 main types of contrast:

Compositional contrast (or atomic number contrast)

Topographical contrast

Both types of contrast occurs simultaneously. This means that even pure element can also produce contrast if the surface is not smooth and the detector can detect SE.

Page 7: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Image contrast from BE

1. Different atomic number (Z) provide a compositional contrast

High Z element = High = Appear bright

Lower Z element = Low = Darker area

2. Trajectory effect provide a topological contrast Trajectory effect = effect of travel direction of BE on BE

yield

Topological contrast = The contrast attributed to the difference in surface shape

Page 8: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

BE image of NR/ACM blend

(compositional contrast) (topographic contrast)

Page 9: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Trajectory effect

Neither SE nor BE detectors are 100% efficient (not all electrons are detected)

Depends on an orientation of the sample to the detector

Areas marked B face the beam and are in line of sight with the detector (bright)

Areas marked D is dark in appearance since the beam does not strike this are and no SE are generated.

Page 10: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

SEM components

Electron source (gun)

Lenses

Scanning coil

Specimen stage

Detectors

All of these components

are kept in a vacuum column

acept.la.asu.edu

Page 11: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Electron guns

Tungsten filament

LaB6

Field emission gun

www.chems.msu.edu

These detectors are different in terms of brightness, operating temp., vacuum level, lifetime, and cost

www.kimballphysics.com Thermionic emission

Page 12: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Thermionic emission

The current

density is related

to brightness.

Page 13: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Thermionic emission ฟลาเมนต ถกท าใหรอน จนกระทงพลงงานสงกวา work function จะท าใหอเลคตรอนหลดออกมา การเพมอณหภม จะสงผลใหไดอเลคตรอนและกระแสมากขน แต ฟลาเมนตจะอายสนลง สามารถเพมกระแส (current density) ไดอกวธ โดยการใชวสดทม work function ต า เชน LaB6 (Jc = 40 A/cm2) ในขณะท tungsten ม Jc = 3.4 A/cm2

Current density จะสมพนธกบ brightness หรอความสวางของภาพ หรอปรมาณอเลคตรอนใน primary beam ทจะถกปรบและโฟกส ใหเกดภาพ ยง brightness สง ภาพจะคมชดมากขน โดยเฉพาะทก าลงขยายสง

Page 14: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

About the LaB6 electron gun

Normal operating T ~ 1800 Kelvin, which provide a current density

of 40 A/cm2 (compare with 3 A/cm2 from tungsten obtained at 2700 K).

LaB6 is reactive (tends to be oxidized) and thus require a better vacuum (~10 -5 Torr).

LaB6 is naturally available in fine grain form and need to be fabricated into rod or block form. The fabrication process is difficult and thus the LaB6 emitter is expensive.

Page 15: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

About the field emission gun

A very sharp tip (radius < 0.1 m) tungsten needle wire

The electric field at the tip is very strong (> 107 V/cm) due to the sharp point effect.

Electron are pulled out from the tip by the strong electric field (without requiring any thermal energy).

Ultra-high vaccum is needed to avoid ion bombardment to the tip from the residual gas.

Electron probe diameter < 1 nm is possible

Page 16: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Brightness

The current density is related to brightness of the electron beam.

The greater the brightness, the more electron can be focused.

To increase the brightness; Use a higher temperature (at the expense of a shorter

filament life) Use a higher accelerating voltage (but risk of sample damage

and lower SE yield) Using a higher brightness electron gun (the material with a

lower work function).

Page 17: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Comparison of various electron source (Goldstein, 1992)

Source Maximum

Brightness (A/cm2)

Lifetime (h) Beam size Vacuum level (Torr)

Tungsten filament

105 40-100 30-100 m 10-4

LaB6 106 200-1000 5-50 m 10-5

Field emission

108 > 1000 < 5m 10-7

Page 18: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Lens in scanning electron microscope

Electromagnetic lens. Condenser lens

To de-magnify the primary electron beam that exit from the gun

By adjusting CL strength, beam size, and beam current will be changed.

This will affects image qualities such as resolution

Objective lens To produce the small spot of electron

beam, (to focus the image)

By adjusting the focus knob on the control panel, the vertical position of the final spot will be changed.

www2.rgu.ac.uk

Page 19: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Detectors

Everhart-Thornley detector (ET) (for SE and BE)

Detectors for BE Wide angle scintillator Solid state diode

X-ray detector (Semiconductor)

The ET consist of

•A Faraday cage in front of a scintillator

•A light pipe leading to a photomultiplier tube

The Faraday cage is kept at a positive potential (to collect most of the SE).

www2.rgu.ac.uk/life_semweb/xrayfig2.gif

Page 20: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

More about the ET detector

ทผวของ scintillator จะมฟลมบางของวสดตวน าเคลอบอย (doped plastics, glass, CaF2). อเลครอนชน ท าใหเกดโฟตอน (แสง) โฟตอน จะวงตามทอน าแสง (light pipe) ไปยง photomultiplier by the. โฟตอน ชนกบอเลคโทรด (photocathode) กอใหเกดอเลคตรอน อเลคตรอน ชนกบ dinodes ท าใหเกดสญณาณเพมขนเปนจ านวนมาก สญญาณทได จะแปรผนตามจ านวน อเลคตรอน ท เขาสดเทคเตอร

http://www.mse.iastate.edu/microscopy/chamber.html

Page 21: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Scanning electron micrograph of NR/ACM (50/50) blend

BE detector

The specimen was prepared by staining

SE detector

BE (too energetic to be deflected by a 200V potential) will also produce a signal in the ET detector.

Page 22: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

BE detector (wide angle scintillator)

This detector has a similar concept to the ET detector. However, there are some differences including the following points

The detector stay on top of the specimen

Scintillator surface is larger

The positive bias voltage and the Faraday cage are not necessary.

Page 23: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

BE detector (silicon diode)

อเลคตรอน ชนวสดกงตวน า ท าใหเกด electron-hole pairs holes และ อเลคตรอน เคลอนท ท าใหเกดกระแสไฟฟา

กระแส หรอจ านวน อเลคตรอน-โฮล จะขนอยกบพลงงานของอเลคตรอน

ดเทคเตอรแบบน ราคาถกกวา แบบ ET และไวตอ atomic number มากกวา. แตม resolution และ sensitivity ต ากวา ET เนองจาก ET ม photomultiplier

Page 24: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Characteristic X-ray

Characteristic X-ray obtained from an ionization of inner electron.

Related signals are continuum X-ray (Bremsstralung [braking radiation]) and Auger electron

Page 25: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Family of X-ray lines

For carbon (Z= 6), there are 2 electrons in the K shell 4 electrons in L shell

Only K x-ray are produced (0.277 keV)

For Sodium (Na, Z = 11) 2 electrons in the K shell

8 electrons in L shell

1 electron in M shell

K (1.041 keV) and K(1.071 keV) x-rays are produced

L X-rays of Na are also possible but those cannot be detected due to their low energy.

K might be splitted into K1 and K2 This is because the L shell is further divided into sub-shells

Page 26: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

X-rays detector

The detector crystal is sensitive to visible light, it is necessary to block the visible light using opaque window.

The most common window is Be. The material will absorb low x-ray energy generated from light elements (Z < 11, Na).

A window made from plastic can be used for x-ray from lighter element (Z ~ 3)

The x-ray window needed to be maintained at low temperature to reduce noise (from thermionic emission of carriers from the crystal)

Entrance window.

Li doped Si crystal.

Liquid N2 resovior.

Page 27: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Why Si(Li)?

Si is a kind of semiconductor

X-ray from the specimen interact with Si detector crystal, producing: Photoelectron in the conduction band

Hole (in the valance band)

On average for a Si crystal, 3.8 to 3.9 eV are dissipated per hole created. Thus, X-rays with energy >1 keV make many holes

Page 28: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Output from the EDX technique

Spectrum

Dot mapping

Line scan

[ref: R.S. Raghva, J.Polym.Sci. Part B: Polym Phys., 27 (1989)2525]

Osmium distribution

Page 29: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Qualitative analysis

Moseley's Law describes the relationship between atomic number and energy of a spectral line

For a certain element (fixed Z), energy of K-line > L line > M line

k

L

M

Page 30: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum
Page 31: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Overlap

Moseley’s law says that each element has a unique set of characteristic lines.

But the limited energy resolution of the Si(Li) detector is in many case unable to distinguish between peaks which have very similar energies.

Recognizing and dealing with overlaps is important for qualitative analysis

Page 32: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Guideline for reading X-ray spectra

1. แปลผลยอน จากขวาไปซาย (Working [interpretation] backward).

2. เรมจากการดวา พคแรกนาจะเปน K ของธาตใด (Start with K line).

3. เพอใหแนใจ ลองพจารณาหาพคเลกๆ ทางขวา ซงนาจะเปน k ของธาตเดยวกน (Keep looking for a tiny k line of the same element).

4. จากนน อาจจะ ลองพจารณาหา X-ray line อนๆ ของธาตเดยวกน ทางดานซายมอถดลงไป (Find and mark all other family members (L lines, M lines) of the same element).

5. เมอครบแลว เรมพจาณาความเปนไปไดทจะเจอ k ของธาตชนดอนๆ (Identify next (second high energy) peak for other element).

Page 33: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

K-lines

Highest energy (most right hand side).

K and k come together as a pair with a ratio of 10:1 (statistically).

Symmetry shape

For low Z elements (e.g. < Ca), K and k lines may not be resolved.

Page 34: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

L-lines

Often occur in groups. Peaks are not well resolved.

Un-symmetry shape. (L/L) ~ 3/1.

M-lines, N-lines and so on .. are very complex and poor in resolution. Avoid use if possible.

Page 35: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Ambiguities

A line at 4.94 keV could be the K line of Ti or K line of V.

In cases like this look for other family lines (big Ti K at 4.51 or tiny V K at 5.43) which are separated.

Page 36: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Sample preparations

Embedding + (Cryo)microtoming To prepare thin specimen (for TEM)

and/or a flat surface (for SEM and EDX line scanning)

Staining (for polymeric samples)

To induce phase contrast

Conductive coating (for non-metallic

samples)

To avoid a charging effect.

Types of coating materials include Au and Carbon

Page 37: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Dr.J.Wootthikanokkhan, KMUTT

Embedding of a specimen for sectioning (microtoming)

D.G.Robinson, U.Ehlers, R.Herken,

B.Herrmann, Methods of Preparation

for Electron Microscopy, An Introduction for the Biomedical

Sciences, 43-47 (Springer-Verlag, NY, 1987]

Page 38: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Dr.J.Wootthikanokkhan, KMUTT

Microtoming machine

Page 39: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Dr.J.Wootthikanokkhan, KMUTT

Microtoming machine

For TEM

Page 40: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Estimation of section thickness

The approximate thickness of sections can be estimated by observing their interference colors as they float on the liquid in through.

Peachey (1958) measured the thickness of methacrylate sections with an ellipsometer and established the following scale:

Interference color Thickness of section

Grey < 60

Silver 60-90

Gold 90-150

Purple 150-190

Blue 190-240

Green 240-280

Yellow 280-230

Useful for TEM specimens

The apparent color of sections varies slightly with the angle at which they are viewed.

Page 41: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Dr.J.Wootthikanokkhan, KMUTT

Methods of enhancing phase contrast in EM

Staining - Staining agents Etching - Selective solvent etching - Chemicals (acids) etching

Page 42: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Etchants for polymers

Polymer Etchant

Starch H2SO4

Polybutadiene Cyclohexane

PE Hot CCl4, toluene

PE, PP Xylene

Melt crystallized PE 95% fuming nitric acid (80 oC)

PE, isotactic PP Chromic acid, 15 min at 60 oC or 15-60 min at room temp.

PET 42% n-propylamine, 1 h, room temp.

Nylon 6 and 6,6 Aromatic and chlorinated hydrocarbon

Polycarbonate Triethylamine

Cellulose acetate Acetone at -50 oC

(Table from Polymer Microscopy,D.T.Grubb, 1987, p. 115)

Page 43: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Scanning electron micrographs of PP/polybutadiene blend

Cryo-microtomed, etched with cyclohexane

Figures from Polymer, 33 (1992) 886

Cryo-microtomed,

stainned with OsO4

SE image

BE image

Page 44: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Scanning electron micrographs of PLA/thermoplastic starch blend (80/20)

etched with H2SO4

SE image

Page 45: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Specific functional groups, examples and staining agents

(Table from Polymer Microscopy, D.T.Grubb, 1987)

Functional gr. Examples Staining agents

-CH-CH- PE, PP Phospho-tuncstic acid, RuO4

-C=C- Unsaturated polymers, HIPS, NR

OsO4, RuO4

R-OH Poly(vinyl alcohol) OsO4, RuO4, silver sulfide

-COOR, -COOH Poly(acrylic acid), polyester, EVA

Hydrazine, then OsO4

-CONHx Nylon, polyamide Phosphotuncstic acid, Tin chloride

Aromatic Polystyrene RuO4

Bisphenol -A Polycarbonate, epoxy RuO4

Page 46: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Staining mechanism of osmium tetroxide (OsO4)

(Figure from Polymer Microscopy, D.T.Grubb, 1987)

Cross-linking (Fixation)

OsO4

Page 47: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Some comments for the staining with OsO4

1. OsO4 is available either as crystals or readily dissolve in water (~ 2% aqueous solution)

2. When staining a block of material in an aqueous solution (by immersion), the reaction is slow, often take days to weeks, depending on type of the polymers.

3. OsO4 can be sublimed. The high vapor pressure of OsO4 make vapor staining of a specimen possible

4. However, toxicity and high vapor pressure of the agent makes it very dangerous. Care must be taken to handle this material in hood with good ventilation

Page 48: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

2 steps staining of poly(meth)acrylate by using hydrazine/OsO4

(Figure from Polymer Microscopy, D.T.Grubb, 1987)

• “Hydrazine cleaves the ester groups of polyacrylate to produce hydrazide which subsequently reduce OsO4 to a lower oxidation state”.

• However, the hydrazine solution might attack the matrix material. • In addition, the reaction rate is too slow unless the staining temperature is raise

(see more detail in JAPS, 21 (1977) 1569)

Page 49: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

SEM images of NR/ACM blend (OsO4 stained)

BE image SE image

(OsO4 stained)

Page 50: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Atomic force microscopy (AFM)

Assoc. Prof. Dr. Jatuphorn Wootthikanokkhan

Division of Materials Technology,

School of Energy, Environment and Materials,

King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Thailand

Page 51: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Analogy

ใชนวลป ลากไถล ไปตามสนปกหนงสอในชนหนงสอในหองสมด คนตาบอด อานหนงสอ อกษรเบลล คล าเบาๆ เคาะนวเปลยนต าแหนงไปเรอยๆ (สงเกต amplitude) เคาะเปลยนต าแหนงไปเรอยๆ (สงเกต ความชา-เรวในการตอบสนอง

ของสญญาณจากการเคาะ) สมผสความนม แขง จากการกระเดงกระดอน ของเคกทอบออกมา

จากเตา สมผสความหนยวเหนอะตดมอ สมผสความฝดบนผว ลกษณะตานมอ อนๆ (รอน-เยน, น าไฟฟา-ฉนวน)

Page 52: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Scanning probe microscopy [SPM]

Atomic force microscope (AFM) วดแรงกระท าระหวาง probe tip กบผวชนงาน ซงเปลยนแปลงไป

ตามสภาพความสงต าของผว ประยกตใชกบวสดทไมน าไฟฟา เชน พอลเมอร

Scanning tunneling microscopy (STM) ปอนความตางศกยเขาไปยงบรเวณระหวาง probe tip กบผวชนงาน วดกระแสไฟฟาทเกดจากการไหลของอเลคตรอน บรเวณดงกลาว กระแสไฟฟาจะเปลยนแปลงไปตามความสงต าของผวชนงาน ประยกตใชกบวสดทน าไฟฟา เชน โลหะ

www.nisenet.org

Page 53: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

ประโยชนของเทคนค SPM

ดภาพบนพนผวชนงาน ในแบบ topography และแบบทมความตางเฟส วดแรงระหวาง probe tip กบผวชนงาน (การยดเกาะ, แรงเสยดทาน) การเคลอนยายอะตอมท าไดโดยโดยควบคมความตางศกยและ

กระแสไฟฟาควบคมปลายหวเขมของ STM

www.physics.berkeley.edu

Page 54: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

หลกการเบองตนของเทคนค AFM

5-15 nm

Probe tip อยหางจากผวชนงานมาก ไมเกดแรงกระท า หรอการงอของ cantilever beam

แรง

ระยะทางระหวาง sample กบ probe

Page 55: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

รปแบบในการวเคราะห ดวยเทคนค AFM

Contact mode เปนรปแบบดงเดม ทเรมพฒนาขนมา เพอดภาพผวชนงาน

Probe tip แตะสมผสกบผวชนงาน เกดแรงผลก ซงแปรตามระยะหาง

Non-contact mode ระยะหางประมาณ 5-15 นาโนเมตร

แรงระหวาง probe tip กบผวชนงานจะเปนแรงดด คอนขางต า ประมาณ pN (10 -12 N).

Tapping mode

Others

Page 56: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

การวดแรงทเกดขนระหวาง probe กบ sample

อาศยการวดการงอ (deflection) ของคาน ทซงจะเปลยนแปลงไปตามแรงกระท าระหวาง probe tip กบ sample

ทดานบนผวของคาน มการฉาบสารสะทอนแสง

แสง laser ทออกมาจากแหลงก าเนด (diode) จะสะทอนเขาส photo-detector

เมอ คาน มการขยบงอขนลง (ตามรปทรงพนผวและแรงกระท าทเปลยนไป) แสงทสะทอนเขาส photo-detector จะมการเปลยนต าแหนงในพกดตางๆ (quadrant detector).

Page 57: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

รปแบบการวดสญญาณ (Feedback operation)

การวดในแบบ ความสงคงท [Constant height mode] สแกนเนอร เคลอนทไปในแนวแกน x-y โดยไมเคลอนท ขนหรอลง ในแนวแกน Z

การงอตวของคาน จะถกวดและใชในการประเมน รปทรงผว (surface topography)

ขอเสยของการวดในแบบนคอ หากมการเปลยนแปลงความลกของผว อาจจะท าให probe tip เสยหาย

การวดในแบบแรงคงท [Constant force mode] เปนรปแบบทนยมใชมากกวา

ในกรณน คาน จะมการขยบขนลงในแนวแกน Z ดวย เพอรกษา ระยะการงอตวของคานและรกษาแรงทใหเกดขนคงท

Page 58: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Comparison between contact mode and non-contact mode

แรงกระท าทเกดขน

ขอด ขอเสย

Contact mode

Repulsive force Resolution

ของภาพสง

ชนงานเกดการเสยหาย (เชน โดยการลาก probe tip

ภาพทไดอาจจะถกบดเบอน (เชน จากแรงไฟฟาสถตหรอแรงตงผวของหยดของเหลวบนผวชนงาน)

Non-contact mode

Attractive force ชนงานเสยหายนอย • Resolution ต า • สญญาณ อาจจะถกรบกวนโดยชนของสารปนเปอนบนผว

Page 59: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

ตวอยาง animation

Page 60: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

ตวอยาง animation

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/nanotech/Page/Unit4-3.html

Page 61: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

องคประกอบของเครอง AFM

Probe tip ท าจาก Si หรอ Si3N4 (Silicon nitride) สมบตตางกนบางเลกนอย ใน

ดานของการทนสารเคมและสมบตทางกายภาพ [Si3N4 ดกวา] เสนผาศนยกลาง ประมาณ 10-50 nm

Cantilever เคลอบดวยสารสะทอนแสง laser เชน gold ใหอปมาอปไมย วา ตวคานมลกษณะยดหยนเหมอน coil spring ตามกฎของ Hook F = -kz เมอ F = แรง, k = คาคงทสปรง (0.01-100

N/m), z = ระยะทคาน ขยบงอตว

Laser

Page 62: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

องคประกอบของเครอง AFM

Piezoelectric scanner สแกนเนอร ท าหนาท ขยบต าแหนงชนงาน ราวกบวา probe มการกราดไปบนผว ท าจากวสด piezoelectric materials

Photodetector วดการงอของคาน โดยดจากการเปลยนแปลงสญญาณความเขมของแสงในบรเวณ

พนทตางๆ การงอตวของคาน จะถกแปลงไปเปนคาแรงกระท า โดยใชคา spring constant. ในการวด ถาก าหนดใหแรงคงทโดยการปรบระยะหางฯ (constant force feedback)

ขอมลทไดจะเปนการเปลยนแปลงความสงต าของผว (height information)

Page 63: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Tapping mode

Probe tip สนทความถประมาณ 50 - 400 kHz Probe tip ยงคงสมผสกบผวตวอยาง แตเพยงระยะสนๆ (แรงในแนวนอนจะลดลง) เมอสมผส แอมปลจดของการสนจะเปลยน (ขนอยกบความสงต าของสภาพผว) สญญาณการเปลยนแปลงดงกลาว จะถกสงไปยง PZT เพอสงการใหขยบต าแหนงเพอรกษาระยะหาง probe tip – sample ใหคงเดม การวดในแบบ tapping mode จะชวยใหสามารถศกษาตวอยางไดกวางขน เชน วสดทออนนม และเปราะบาง ตอการเสยหายถกท าลายโดย probe tip ในขณะเดยวกน ยงคงมความคมชดของภาพทด

Page 64: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Phase imaging

นอกจากนน ในการวเคราะหแบบ Tapping mode การสนของคานอาจจะเกดการสญเสยพลงงานในแงของ damping เมอสมผสและเกดแรงกระท ากบผวตวอยาง สงผลใหเกดสญญาณทลาชา (phase lag)

การเปลยนแปลงของ phase lag จะบงบอกถงการเปลยนแปลงของสมบตบางประการทผวชนงาน เชน viscoelasticity หรอ hardness

www.asmicro.com

Page 65: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

การขยายขอบเขตรปแบบการศกษาดวยเทคนค AFM Extension of the AFM operating modes

• Force modulation mode

• Force microscopy [FM]

Page 66: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

AFM in a force modulation mode

• Probe tip สนทความถสง และเมอสมผสกบผวตวอยางหรออยในระยะแรงผลก amplitude จะเปลยน

• ขนอยกบความแขง (stifness) หรอนม (softness) ของผวตวอยาง ยงนมยงม amplitude ต า

• ถาทดลองโดยเกบสญญาณในแบบ constant force mode จะสามารถวด amplitude ทเปลยนแปลงไปจากการงอตวของคาน (Cantilever deflection)

• มประโยชนมากในการศกษาหาความเปนอลาสตกของผวตวอยาง

Jalili et al, Mechatronics, 14(2004)930

Page 67: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Application of AFM

AFM force modulation stiffness image of a PVC-PBD polymer blend, identifying areas of PVC (dark region) and PBD (light region) with nanometre scale resolution.

www.npl.co.uk/.../S2.2.5_-_nanomechanics.jpg

Page 68: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Force measurement

แทนทจะวดการงอตวของคาน (contact, non-contact) หรอวด amplitude การสนทเปลยนแปลงไป (force modulation) .......ในกรณนจะวดแรงกระท าโดยตรง ระหวาง probe tip กบ sample ซงมได 2 แบบ 1. Normal force ซงเปนการวดความเหนยวตดหรอการยดเกาะระหวางผวกบ

probe tip 2. Friction force ซงเปนการวดแรงเสยดทานระหวางผวกบ probe tip ทอาจจะ

แตกตางกนในแตละบรเวณ

Adhesion study Friction measurement

Page 69: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

AFM friction imaging of NR coated with PMMA film

10 m from the surface

30 m

120 m

Thongggom et al., Polymer Testing, 27(2008)368

ตวอยางเชน ใชตรวจสอบความลกของผวเคลอบ PMMA บนถงมอยางธรรมชาต

พนทสด า แสดงถงเฟส PMMA ซงมแรงเสยดทานและการบดของ probe tip มากกวา

Page 70: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

การเตรยมตวอยาง

การเตรยมตวอยางส าหรบการวเคราะหดวยเทคนค AFM นน งายมาก (ไมตอง microtome, ไมตอง stain, ไมตองเคลอบดวยวสดตวน า

อยางไรกตาม มขอควรระวง ตวอยางควรจะสะอาด ปราศจากสารปนเปอน ตวอยางตองยดตดกบแทนบนเทวางตวอยางในครองเปนอยางด ตวอยางตอง เรยบพอสมควร (ไมเกน 20 m)

Page 71: MTT 656 Polymer Microscopy References - KMUTT 656...MTT 656 Polymer Microscopy References 1. “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” edited by J.I.Goldstein, Plenum

Application of AFM for examining polymer interface

Transparent PMMA sheet / acrylic adhesive laminate

Adhesion at the interfacial region need to be examined and related to the peel strength.

Both polymers are acrylic type, how to induce the phase contrast in the EM???

How to stain?