YÜZEY ANALİZ TEKNİKLERİ KİM 511

Kaynaklar

Bir katının yüzeyi; arayüzey ile etkileşen yapı ve bileşenlerin ortalama yığın (bulk) yapıdan farklılık gösterdiği bölgedir. Atomik yapıda olan bir madde olan altın için bu bölgenin derinliği 0,5 ile 1 nm arasındadır. Oysa bir polimer için bu değer 10 nm’ye hatta 100 nm’ye kadar çıkabilir. Bir katının yüzeyinde ne kadar atom olabilir? Kenar uzunluğu 1 cm olan küp şeklinde bir metalin 1 cm2 olan bir yüzeyinde yaklaşık 1015 adet atom vardır. Buna göre söz konusu küpteki toplam atom sayısı yaklaşık 1023 olur. Yüzey atom sayısını (y) hacim atom sayısına (h) bölüp yüzdeyi bulabiliriz: y/h ≈ 10−8 . 100 ≈ % 10−6

Bir katının yüzeyi çevresiyle ya kendiliğinden ya da planlı bir şekilde etkileşim gösterebilir. Kendiliğinden gerçekleşen etkileşime korozyon örnek verilebilir. Bilindiği üzere korozyon, metal veya metal alaşımlarının oksitlenme veya diğer kimyasal etkilerle aşınma durumudur. Bir camın optik özelliği, yüzeyinin kaplanmasıyla değiştirilebilir. Diş implantı, lens gibi biyomateryallerin içinde bulunduğu ortamda gerçekleşen tüm biyolojik reaksiyonlar (protein adsorpsiyonu, hücre yapışması, hücre üremesi gibi) materyalin en dış yüzeyinde bulunan atomlar üzerinden gerçekleşmektedir. Katı yüzeyinde gerçekleşen proseslerin anlaşılabilmesi için yüzeyin kimyasal bileşiminin, kristalinitesinin ve morfoloji, pürüzlülük gibi fiziksel özelliklerinin belirlenmesi gerekir. Bu özellikler günümüzde kullanılan tekniklerle büyük ölçüde karakterize edilebilmektedir.

Bir yüzey analiz tekniği genellikle 1 mm2’lik bir bölgeye uygulanabilir. Bu boyuttaki bir bölgenin 10 atomik tabakaya denk gelen kısmında yaklaşık 1014 adet ya da 10-10 mol atom olur. Geleneksel kimyasal analiz tekniklerine göre bu miktarın oldukça düşük olduğu açıktır. Optiksel bir kaplamanın homojenliği ya da bir ilaç üzerindeki kontaminasyonun belirlenmesi için ise yüzeyin özel tekniklerle görüntüsü çıkarılır. 1 μm2‘lik bir alanda yapılan işlemle yaklaşık 107 adet atom görüntülenebilir. Örneğin, bir katalizörün yüzey atomik yapısının ve kompozisyonunun adsorpsiyona olan etkisi ve katalizörün yüzeyindeki reaktant moleküllerin yüzey reaktivitesi yüzey analiz teknikleri ile anlaşılabilir. Bu tekniklerde yüzey elektron, foton, iyon ya da nötronlarla muamele edilir ve yüzeyden elektron, foton, iyon ya da nötron emisyonları ölçülür.

ESCA/XPS: Kimyasal analiz için elektron spektroskopisi/X ışını fotoelektron spektroskopisi. AES: Auger elektron spektroskopisi. SIMS: Sekonder iyon kütle spektrometrisi. IR: İnfrared spektroskopisi. INS: Elastik olmayan nötron saçılması. EELS: Elektron enerji kaybı spektroskopisi. SEM: Taramalı elektron mikroskobu. STM: Taramalı tünelleme mikroskobu. AFM: Atomik kuvvet mikroskobu.

İyon saçılma spektrometri (ISS) tekniği, yüzeyin en üst atomik tabakası hakkında bilgi verirken, ESCA/XPS ise yüzeyin neredeyse son on tabakası hakkında bilgi verir. Bu hassas tekniklere karşın, IR spektroskopisinde ise refleksiyon modu kullanılmadığı takdirde katının aynı anda iç bölgelerinden de bilgi alınması kaçınılmaz olur. Yüzey hassasiyeti ölçülen tür ya da türlerin kalınlığına (derinliğine) bağlıdır. XPS’de, yüzey X ışınları ile bombardıman edilir. Akabinde 1-8 nm’lik derinlikten enerjisini kaybetmeden gelen elektronlar ölçülür. Şayet elektronlar daha derinlerde oluşursa yüzeyden çıkana kadar elektronların enerjilerinde kayıplar olabilir. Düşük enerjili elektronun ölçülmesi ise analizin hatalı olması anlamına gelir.

Titreşim (IR ve Raman) spektroskopisi Söz konusu teknikler yüzeyin fotonlarla etkileşimine dayanır. Bu da, ya titreşimsel uyarılma ile yüzeye ya da titreşimsel durulma yoluyla yüzeyden dışarıya enerji transferinin gerçekleşmesiyle olur. Kuantlaşmış olan bu enerji ise yüzeydeki türler hakkında bilgi verir. Korozyon, kataliz gibi yüzeyde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar neticesinde oluşan türlerin varlığı titreşimsel spektroskopi teknikleri ile rahatlıkla tespit edilebilmektedir.

Infrared (IR) spektroskopisi, 12800-10 cm-1 dalga sayısı veya 0,78-1000 mm dalga boyuna sahip radyasyonun madde tarafından absorplanarak, titreşimsel (veya dönmesel) uyarılmasına dayanır. Genelde analitik uygulamalar 4000-400 cm-1 (2,5-25 mm) arasındadır. E = hn = hc/l ve n = kn Herhangi bir maddenin IR radyasyonunu absorplayabilmesi için, dipol momentinin titreşimsel hareket sırasında değişmesi (kayması) gerekir.

Ters işaretli iki yük belirli bir uzaklıkta bulunuyorsa; Dipol moment = (yük) x (uzaklık) Dipol moment yük merkezleri arasındaki uzaklık ve yük farkının büyüklüğündeki farka bağlıdır. Genelde titreşimsel dipol momentinde net bir değişiklik olmayan O2, N2 ve Cl2 gibi homonükleer türler IR radyasyonunu absorplamazlar. Aslında maddeler dönmesel hareketler de yaparlar. Ancak dönmesel geçişler daha az enerji gerektirdiği için bu geçişler 100 mm’den büyük dalga boylarında olur. Ayrıca katı ve sıvıları oluşturan moleküllerde dönme olmadığından bu hallerde alınan spektrumlar sadece titreşimsel geçişleri yansıtır.

Harmonik osilatör Kütle denge halindeyken, kütlenin ve yayın potansiyel enerjisi (E) sıfır olur. Kütle hareket ettirildiği zaman sistemin potansiyel enerjisi yapılan işe eşit olur. F = Kuvvet k = yayın kuvvet sabiti y = uzaklık F = -ky

Anharmonik ossilatör Atomlar birbirini etkilediği için bağların titreşim davranışı anharmoniktir. Kuantum teorisine göre titreşimsel geçiş kuantlaşmıştır. Yani titreşimsel geçiş Dn = ±1 durumunda gerçekleşir. Ancak yüksek titreşim enerji düzeyinde bulunan moleküller için Dn = ±2 veya ±3 geçişleri gözlenebilir. Bu da pik sayısının beklenenden fazla olmasına sebep olur.

FT-IR spektrometre cihazını diğer dispersif cihazlardan ayıran özellik, kaynaktan gelen ışının tamamının dedektöre aynı anda ulaşmasıdır. Bu da sinyal/gürültü (S/N) oranını artırır. Michelson interferometresi denilen optik bir eleman ile sinyalin izlediği yol periyodik olarak değiştirilerek çok kısa bir sürede numuneye ulaştırılır. Daha sonra Fourier transform yapılarak elde edilen zaman bağımlı spektrum frekans bağımlı spektruma dönüştürülür.

Geçirmeli IR Spektroskopisi Katı numuneler, IR ışınlarını nerdeyse tam geçiren KBr tozu ile preslenir ve absorbans ölçümü yapılır. I0/It = exp(−kcl) I0/It : Transmitans k: Absorpsiyon katsayısı Absorpsiyon transmitansın tersi olduğuna göre, log10(It/I0) = ecl olur. (e = k/ln10)

Geçirmeli IR Aksesuarları

Reflektans metotları Birçok katı opak yani koyu ya da siyah renkte olduğundan geçirmeli IR ile analiz edilemeyebilir. Bu tür malzemeler reflektansa dayalı IR spektroskopisi ile daha iyi analiz edilebilir. Refleksiyon proseslerinde refraksiyon ve absorbans arasında doğrudan bir ilişki vardır.

Azaltılmış Toplam Reflektans (ATR) Özellikle çözünmeyen katı, film ya da toz şeklinde maddelerin direkt olarak IR ışını ile etkileşimini sağlayabilmek için IR ışınını tamamen geçiren saydam kristaller (ZnSe gibi) üzerinde absorpsiyon ölçümleri (ATR) alınabilir. Absorpsiyon bant (pik) şiddeti numuneye gelen ışının açısı ve polarizasyonuna bağlıdır.

ATR aksesuarları

Difüze Reflektans İnfrared FT Spekroskopisi (DRIFTS) Özellikle üzerine düşen ışığı çok saçan beyaz ya da açık tonlardaki ya da pürüzlü yüzeylere sahip maddelerin IR spektrumlarının alınmasında kullanılan bir yöntemdir. Işın yüzeye geldiğinde hem yüzeyden olduğu gibi (absorplanmadan) yansıdığı gibi hem de yüzeydeki türler tarafından absorplanarak (difüze olarak) yansır. Cihaz, olduğu gibi yansıyan ışının dedektöre gelmesini engelleyecek şekilde tasarlanmıştır.

Diğer Reflektans Teknikleri Fotoakustik Spektroskopi (PS) Infrared ışınını çok fazla absorplayan ya da ışığı çok fazla saçan yüzeylerin analizi için geliştirilmiştir. Refleksiyon Absorpsiyon IR Spektroskopisi (RAIRS) Bu teknik metal yüzeylerindeki adsorbe tabakaların analizi için geliştirilmiştir.

Raman Spektroskopi IR’de gözlenemeyen ya da oldukça zayıf absorpsiyon bandı veren titreşim modları çoğunlukla Raman spektroskopisinde görülebilir. Teknik, ilk kez 1921’de Smekal tarafından öngörülse (tahmin edilse) de 1928 yılında Hintli bilim adamı C.V. Raman söz konusu tekniğin temellerini ilk kez ortaya çıkarmış ve bu buluşundan dolayı 1931 Nobel Fizik Ödülü’nü almıştır. Işın geçirgen bir ortamdan geçerken, ortamdaki türler, gelen ışın demetinin bir kısmını çeşitli yönlere doğru saçarlar. C.V. Raman, saçılan ışığın ufak bir kısmının dalga boyunun gelen ışığınkinden farklı olduğunu bulmuştur. Gelen ve saçılan ışığın dalga boyları arasındaki fark, orta-IR (MIR) bölgesine denk gelmektedir.

Işının madde içerisindeki parçacıklar (atom, iyon veya moleküller) tarafından bir anlık tutulması ve sonra bırakılmasına saçılma denir. Madde ile etkileşen ışının büyük bir kısmı elastik (Rayleigh), çok az bir kısmı ise elastik olmayan (Raman) saçılma yapar. Elastik saçılan ışığın enerjisi madde ile etkileşen ışığın enerjisine eşittir. Dolayısıyla Rayleigh saçılması titreşim enerji düzeyleri hakkında bilgi vermez. Elastik olmayan (Raman) saçılan ışığın enerjisinde ise madde ile etkileşen ışığın enerjisine göre fazlalık veya azlık olur. Enerjideki bu değişim titreşim enerji düzeyleri arasındaki enerji farkları kadardır. Bu nedenle Raman saçılmasının spektroskopik incelenmesi ile de titreşim enerji düzeyleri hakkında bilgi edinilebilir. Raman saçılması aslında bir yalancı absorpsiyon prosesidir.

Rayleigh ve Raman saçılımının esası Molekül ile etkileşen ışın absorplanmıyorsa, üç farklı tipte saçılır: 1. Rayleigh saçılımı, esnek çarpışma (saçılan ışının enerjisi = gelen ışının enerjisi) 2. Stokes saçılımı, esnek olmayan çarpışma (saçılan ışının enerjisi = Rayleigh - DE) 3. Anti-stokes saçılımı, ″ ″ ″ (saçılan ışının enerjisi = Rayleigh + DE) En düşük uyarılmış elektronik hal Temel elektronik hal 1 2 3 Sanal haller Uyarma Rayleigh saçılması Raman Saçılması Anti-Stokes Stokes DE DE

Raman spektrumu şunları içerir; • Rayleigh saçılmasına ait pik (uyarılma ile aynı dalga boyunda, yüksek şiddetli) • Stokes kayması ile ilgili bir seri pik (Daha uzun dalga boyunda, düşük şiddetli) • Anti-stokes kayması ile ilgili bir seri pik (Daha kısa dalga boyunda, düşük şiddetli) 488 nm’de Ar+ lazer kullanılarak alınmış CCl4’e ait spektrum

Raman Aktif IR Aktif IR Aktif Bir molekülün Raman saçılması yapması için etkileşme sırasında polaritesinde değişim olması gerekir. Buna göre IR inaktif olan maddeler Raman aktif olabilirler. Simetrik gerilme Raman Aktif Asimetrik gerilme IR Aktif Eğilme IR Aktif + -

Raman ve IR’de simetrik ve asimetrik gerilimlerin karşılaştırılması: Simetrik titreşim: Birim alandaki yük dağılımı değiştiği için Raman aktiftir. Asimetrik titreşim: Birim alandaki yük dağılımı değişmediği için IR aktiftir.

Raman spektroskopisinde kullanılan cihaz, floresans spektroskopisinde kullanılana çok benzer.

Raman spektroskopisi ile katı yüzeyler analiz edilebilir. Uygulamaları: Raman spektroskopisi ile katı yüzeyler analiz edilebilir. Yüzeydeki titreşimler (fononlar), yüzey tabakalarındaki atomların topluca salınımları neticesinde oluşur. Dolayısıyla bir yüzey fononunun frekansı da yüzey tabaka yapısının bir fonksiyonudur. Raman spectra recorded from an Sb (111) surface as a function of varying in coverage

Yüzey-Güçlendirilmiş Raman Spektroskopisi (SERS) Fleischmann ve arkadaşları tarafından 1974’te bulunmuş bir tekniktir. SERS, kolloidal metal tanecikleri (Au, Ag ve Cu) yüzeyinde adsorplanmış numunelerin Raman spektrumları alınır. Böyle bir sistemde elektrolit olarak KCl ve adsorbat olarak ise piridin (C5H5N) kullanılır. Gümüş üzerinde adsorbe haldeki piridin, gümüş üzerinde adsorbe olabilen hemen hemen diğer bütün maddelere göre daha fazla Raman saçılması yapar. Tekniğin hassasiyetinin artırılması için gümüş elektrot önce elektrokimyasal olarak oksitlendirilir ve sonra indirgenir. Bu işlem birkaç kez tekrarlanır. Böylece yüzey süngerimsi bir yapıya kavuşur. Neticede yüzey büyütülmüş olur. Bu da Raman saçılma şiddetini artırır (S/N : 100/1).

Raman spectra recorded from the surface of a polycrystalline Ag electrode immersed in an aqueous KCl–pyridine solution as a function of applied electrochemical potential, measured with respect to the potential of a SCE: (A) liquid pyridine; (B) 0.05 M aqueous pyridine: (C) silver electrode, 0 V (SCE); (D) −0.2 V (E); −0.4 V; (F) −0.6 V (G); −0.8 V; (H) −1.0 V (after Fleischmann et al.)

(a) Ordinary Raman spectra of 0 (a) Ordinary Raman spectra of 0.5 M 4-MPY solution, (b) SERS spectra of 10−3 M 4-MPY on Cu2O nanospheres (Nanoscale, 2013, 5, 2784).

X-Işınları Spektroskopisi X-ışınları ilk olarak 1897 yılında W. C. Rontgen tarafından keşfedilmiştir. Bu buluşundan dolayı 1901 yılında Fizik dalında Nobel ödülünü kazanmıştır. X-ışınlarının enerjisi bağların kırılmasına yetecek kadar güçlüdür. X-ışınlarının dalga boyları, 10-4 nm ile 10 nm arasında değişir. X-ışınları hem sürekli hem de çizgi (kesikli) spektrum oluştururlar.

X-ışınları, yüksek enerjili elektronların yavaşlamasıyla ya da atomun iç orbitallerindeki elektronların elektronik geçişleriyle oluşturulur. Bu işlem, bir metal hedefin yüksek enerjili elektron demetiyle bombardıman edilmesiyle gerçekleştirilir.

1, 2 ve 3: Sürekli ya da beyaz (Bremsstrahlung) ışıma spektrumu 4 : Çizgi spektrumu

Mo hedefin bombardımanı sonucu elde edilen spektrum

X-ışınları kırınımı (XRD) X-ışınlarının en yaygın kullanım alanlarındandır. X-ışınları kristal atomlarının oluşturduğu düzlemler tarafından kırılırlar. X-ışınlarının kırınımı için; Atom tabakaları arasındaki mesafe yaklaşık olarak ışın dalga boyu ile aynı olmalıdır Saçılma yapan merkezler çok düzgün ve tekrarlanır bir düzende olmalıdır.

n bir tamsayı olmak üzere; ise saçılan ışın OCD’de aynı fazdadır ve kristal X-ışınını yansıtacaktır. Kristal mesafeleri arası uzaklık “d” olmak üzere; Bu durumda kristal yüzeyine  açısı ile gelen ışın demeti için olumlu girişim şartı, Bragg Eşitliği X-ışınlarının kristalden yansıtılmış olarak gözlenebilmesi için geliş açısının bu şartı yerine getirmesi gerekir. Diğer bütün açılarda olumsuz girişim meydana gelir.

XRD pattern of CdTe on Au substrate.

X-Işınları ile Yüzey Analizi X-Işınları Fotoelektron (XPS) ve Auger Elektron (AES) Spektroskopisi Diğer adı kimyasal analiz için elektron spektroskopisi (ESCA) olan XPS, 1960’ların ortalarında Kai Siegbahn tarafından Uppsala Üniversitesi’nde (İsveç) geliştirilmiştir. Bu buluşundan ötürü 1981 yılında Nobel ödülü kazanmıştır.

XPS’de 4-8 tek tabakadan (ML) gelen elektronların enerjisi ölçülür (250-1500 eV). photoemission peak inelastic scattering tail

İlk olarak 1923’te Lise Meitner tarafından bulunmuştur İlk olarak 1923’te Lise Meitner tarafından bulunmuştur. Daha sonra ondan bağımsız olarak 1925’te Pierre Auger tarafından bulunmuştur.

Bir madde X ışını ile etkileştiğinde hem XPS hem de AES emisyonunun olma ihtimali vardır. Ancak atom numarası 3’ten 20’ye kadar olan elementlerde daha çok AES emisyonu olur. Tersi durumda ise daha çok XPS gözlenir. Çünkü ağır elementlerde elektronlar ile çekirdek arasındaki çekim kuvveti daha büyüktür. XPS’in aksine AES’de yüzey elektronlarla uyarılır. Auger elektronları XPS’e göre daha düşük kinetik enerjiye sahiptir (20-1000 eV). Bu durum, Auger elektronunun madde içinden yüzeye çıkış mesafesinin (2-6 ML kadar) XPS’e göre daha az olması anlamına gelir.

Paslanmaz çelik

XPS survey spectrum of the azurin/Au(111) interface.

Taramalı tünelleme mikroskobu (STM): Yüzey (iletken) ince metalik (Platin/iridyum veya tungsten) bir uçla (tiple) raster düzeninde taranır. Tip ile yüzey arasına bir potansiyel uygulanırsa ve tip yüzeye 1 nm’den daha kısa bir mesafe getirilirse tünelleme akımı gözlenir. Tünelleme akımı (It) mesafe ile ters orantılıdır: It = Ve-Cd V: iletkenler arasındaki fark (bias) potansiyeli C: iletkenlerin bileşimine bağlı bir sabit D: tipteki en alt atom ile numunedeki en üst atom arasındaki mesafe (1986 Nobel Fizik ödülünü, 1982’de STM’in mucitleri olan G. Binnig ve H. Roher almıştır.) e- < 1nm

Genel olarak STM ya sabit akım modunda ya da sabit yükseklik modunda çalışır. Sabit akım modunda tipin yüksekliğini ayarlayarak akımı sabit tutan geri besleme devresi sayesinde akım sabit tutularak tip yüzey üzerinde hareket ettirilir. Bu esnada tipin yüksekliğinde meydana gelen değişmeler kaydedilerek görüntü oluşturulur. Sabit yükseklik modunda ise tip yüzeye yaklaştırıldıktan sonra uzaklık sabit tutulur ve tip yüzeyde hareket ettirilirken akım ölçülür. Ölçülen akıma bağlı olarak görüntü elde edilir.

STM ile sadece iletken yüzeylerin atomik boyutta görüntülenmesi yapılabilmektedir. Altının 10 x 10 nm’lik STM görüntüsü:

Atomik kuvvet mikroskobu (AFM): AFM, STM’den sonra 1986’da yine G. Binnig tarafından bulunmuştur. Hem iletken hem de yalıtkan yüzeylerden görüntü alınabilmektedir. Fakat AFM, STM’e kıyasla atomik görüntüleme yapamaz. laser photodiode piezo-element probe STM tip AFM tip

AFM’de Si3N4veya SiO2’den yapılmış kuvvete duyarlı bir ucu iğneli bir denge çubuğu (kentilever) ile yüzey raster düzeninde taranır. Yüzey ile tip arasındaki kuvvetler, elektrostatik, Van der walls, sürtünme ya da manyetik kuvvetler olabilir. Denge çubuğunun tip takılı kısmının arkasına bir lazer demeti gönderilir. Yüzeydeki morfoloji gereği tip z yönünde hareket eder. Bu hareketler yansıyan lazerin yerini değiştirir. Bu değişimler de pozisyon duyarlı dedektörle görüntüye çevrilir.

Kuvvetlere göre AFM temelde üç farklı modda çalışır: 1. Temas (Contact) Mod: Tip yüzeyle temas halinde (itici kuvvet etkisinde) iken yapılan analize denir. Temas mod ile özellikle sert yüzeylerin yüksek hızda taranması mümkündür. Ancak yumuşak yüzeylerin hasar görmesi kaçınılmaz olur. 2. Yarı-Temas (Tapping) Mod: Tip-yüzey uzaklığının biraz daha büyük olduğu durumlarda (itici ve çekici kuvvetlerin birleşiminde) çalışır. Tip çok kısa sürelerle periyodik olarak hafifçe yüzeye temas edip sonra tekrar yüzeyden uzaklaşır. Hem yüksek çözünürlüklü görüntülerin alınması hem de tipin yüzeye daha az basınç yapmasından dolayı yumuşak malzemelerin görüntülenmesi mümkün olmaktadır. 3. Temassız (Non-Contact) Mod: Tip ile yüzey arasındaki mesafenin en büyük olduğu moddur. Tarama esnasında tip yüzeye temas etmeden osilasyon yapar. Tip-yüzey arasındaki kuvvetlerin yol açtığı osilasyon frekansındaki değişimler ölçülerek görüntüye çevrilir. Yüzeylerinde adsorbe halde sıvı bulunan numunelerin görüntüleri çoğu zaman alınamaz. Bu tür numunelerin analizinde genellikle yüksek vakum (UHV) sistemleri kullanılır. Günümüzde yarı-temas modlu AFM diğerlerine göre daha avantajlı olduğu için daha çok tercih edilmektedir.

AFM’de elde edilecek görüntünün çözünürlüğü, manivelanın ve tipin fiziksel özelliklerine bağlıdır. Mikroskobun hassas olması için kullanılan manivelaların düşük yay sabitine sahip olması gerekir. Bu amaçla silisyum, silisyum oksit veya silisyum nitrürden (Si3N4) yapılmış manivela ve tipler kullanılmaktadır. Öte yandan yüksek çözünürlük için ayrıca dikey yönde yapılan taramanın hassas olması gerekmektedir. Böyle bir tarama ise ancak kullanılan tipin mümkün olduğunca ince ve uzun olmasıyla yapılabilir. Bu yüzden tipler mikro fabrikasyon yöntemleriyle uçları sivri olacak şekilde (koni gibi) üretilirler. Yüzeylerin topoğrafisinin alınmasına ek olarak değişik AFM teknikleriyle farklı analizler de yapılabilmektedir. Örneğin, manyetik kuvvet mikroskobu (MFM) ile manyetik numuneler incelenebilir. Yüzeylerdeki elektrostatik kuvvet değişimleri ise elektrostatik kuvvet mikroskobu (EFM) ile belirlenebilir. Yanal kuvvet mikroskobuyla da (LFM) bir yüzeydeki farklı kompozisyondaki bölgeler tespit edilebilir. Tip ile yüzey arasında oluşan kuvvetlerin uzaklığa karşı değişimi de AFM ile belirlenebilir (Kuvvet Spektroskopisi). Son zamanlarda AFM ile nanolitografi çalışmaları da yapılmaktadır.

“The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy” Pentasen (C22H14)

Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) SEM görüntüsü, yüksek voltaj ile hızlandırılmış elektronların numune üzerine odaklanması, bu elektron demetinin numune yüzeyinde taratılması sırasında ortaya çıkan ışımalar veya geri yansıyan elektronların uygun dedektörlerle sayıldıktan sonra katot ışınları tüpünün ekranında elde edilir. Geçirimli elektron mikroskobundan (TEM, 1932) sonra üretilmiştir (1935). TEM’e göre hem uygulaması daha kolay hem de TEM’de olmayan 3 boyutlu görüntü SEM’de elde edilmektedir. Çözünürlük ve farklı oranlarda görüntü büyütme gibi özellikleri olmasına rağmen vakum sistemi gerektirmesi, bakım ve cihaz maliyetinin yüksek oluşu ve sadece iletken numunelerin analizinin yapılabilmesi gibi dezavantajları vardır.

Vakum altında elektron tabancısından çıkan elektronlar lensler aracılığıyla inceltilerek numune üzerine odaklanır. Daha sonra tarayıcı bobinlerle yüzey raster düzeninde taranır. Tarama neticesinde oluşan geri saçılım ve ikincil elektronlar iki ayrı dedektörde toplanır ve görüntü oluşturulur.

Elektron tabancası SEM de vakum sistemi oldukca önemlidir, basınç elektron tabancasının çalışmasını engellemeyecek kadar düşük olmalıdır. Elektron yayan yüzeylerin koroze olmasını engellemek için düşük tutulmalıdır. Basınç, tungsten filament için 10-5 torr, LaB6 filament için 10-5 - 10-6 torr ve FEG filament için ise 10-9 torr’dur. Filamente elektrik akımı verilerek ısıtılır. Yeterli enerjiye sahip elektronlar filamentin ucunda birikerek bir elektron bulutu oluştururlar. Eğer filamentin yanına bir pozitif yüklü bir plaka (anot) yerleştirilirse elektronlar anot tarafından absorbe edilirler. Eğer anotla elektron bulutu arasına negatif yüklü bir plaka (katot) yerleştirilirse anoda doğru yönlenen elektronlardan dikey doğrultuda bir ışınım elde edilir.

Field Emission Gun (FEG)-Alan Etkili Elektron Tabancaları Tungsten (W) filamentten elektron kopartmak için verilmesi gereken eşik enerji değeri 4.5 eV iken LaB6 (lantanyumhekzaborür) için bu değer 2.5 eV’dir. Bu sebeple LaB6 filamentin ısıtılması için gereken sıcaklık değerleri daha düşüktür. Ancak, hem tungsten hem de LaB6 filament vakum altında elektrik akımı ile ısıtıldıkları için ömürleri kısadır. Tungsten-zirkonyumdan imal edilen FEG tabancasında ise yüksek vakumda ve yüksek manyetik alanda elektronlar oluşturulur. Küçük bir alanda ve düşük enerjide daha çok elektron salınımı yaptığı için çözünürlük daha yüksek olur. Isınma gerçekleşmediği için FEG daha uzun ömürlüdür (Tungstene göre 1000 kat).

Elektron-Numune Etkileşimi Filamentten elde edilen elektronların numune ile çarpışması sonucu ortaya çıkan sonuçlar iki kategoriye ayrılır: Elektron sinyalleri Foton sinyalleri

İkincil elektronlar gelen elektronlar ile iletkenlik bandındaki zayıf bağlı elektronlar veya valans elektronları arasındaki elastik olmayan (enerji transferine yol açan) çarpışmadan dolayı meydan gelir. Transfer edilen enerji elektronların bağlanma enerjilerini yenmeye yeterli büyüklüktedir. Böylece incelenen numuneden elektron koparılmış olur. Bu elektronlar ikincil elektronlar olarak isimlendirilir.

İkincil elektronlar düşük enerjili oldukları için dedektöre 100-300 V gibi bir pozitif voltaj uygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler. Numune yüzeyindeki çukurda kalan bölgelerden kaynaklanan ikincil elektronlar sayısı, tümseklerden kaynaklanan elektronların sayısından farklıdır. Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü elde edilmiş olur. Geri saçılan elektronlar, gelen elektronlar ile incelenen numunedeki atomların çekirdekleri ile arasındaki elastik (enerji transferi olamayan) çarpışmalardan dolayı oluşur. Numunedeki atomların atom numarası ne kadar büyük olursa o kadar çok sayıda geri saçılan elektron elde edilir. Elastik çarpışmada, gelen elektronların enerji kaybı çok küçüktür (<1eV).