Microscopul electronic cu scanare ( SEM ) sau microscopul electronic cu scanare ( SEM ) ( de exemplu, microscopul electronic cu scanare, SEM ) este un dispozitiv din clasa microscopului electronic conceput pentru a obține o imagine a suprafeței unui obiect cu o rezoluție spațială mare (până la 0,4 nanometri ). , precum și informații despre compoziția , structura și alte proprietăți ale straturilor apropiate de suprafață. Bazat pe principiul interacțiunii unui fascicul de electroni cu obiectul studiat.
SEM modern vă permite să lucrați într-o gamă largă de măriri de la aproximativ 3-10 ori (adică, echivalent cu mărirea unei lentile puternice de mână ) la 1.000.000 de ori, ceea ce reprezintă de aproximativ 500 de ori limita de mărire a celor mai bune microscoape optice .
Astăzi, capacitățile microscopiei electronice de scanare sunt utilizate în aproape toate domeniile științei și industriei, de la biologie la știința materialelor . Există un număr mare de modele și tipuri diferite de SEM-uri fabricate de o serie de companii și echipate cu diferite tipuri de detectoare.
Istoria microscopiei electronice (în special, SEM) a început cu munca teoretică a fizicianului german Hans Busch privind influența unui câmp electromagnetic asupra traiectoriei particulelor încărcate . În 1926, a dovedit că astfel de câmpuri pot fi folosite ca lentile electromagnetice [1] , stabilind astfel principiile fundamentale ale opticii electronice geometrice. Ca răspuns la această descoperire, s-a născut ideea unui microscop electronic și două echipe - Max Knoll și Ernst Ruska de la Universitatea Tehnică din Berlin și Ernst Brush de la laboratorul EAG - au încercat să pună această idee în practică. Și în 1931 Knoll și Ruska au creat primul microscop electronic cu transmisie [2] .
După ce s-a mutat la compania germană de radio Telefunken , pentru a efectua cercetări asupra televizoarelor cu tub catodic , Max Knoll a dezvoltat un analizor de tuburi de electroni sau „analizor cu fascicul de electroni”, care a simulat toate caracteristicile necesare unui microscop electronic cu scanare: proba a fost amplasată pe o parte. a celor sigilate[ clarifică ] un tub de sticlă și un pistol cu electroni pe de altă parte. Electronii accelerați de o tensiune de 500 până la 4000 de volți au fost focalizați pe suprafața probei, iar un sistem de bobine le asigura deflexia. Fasciculul a scanat suprafața probei cu o rată de 50 de imagini pe secundă, iar măsurarea curentului care trece prin eșantion a făcut posibilă reconstruirea imaginii suprafeței acesteia. Primul dispozitiv care folosește acest principiu a fost creat în 1935 [3] .
În 1938, specialistul german Manfred von Ardenne a construit primul microscop electronic cu scanare [4] . Dar acest aparat nu era încă similar cu un SEM modern, deoarece numai mostre foarte subțiri puteau fi vizualizate prin el. Adică a fost mai degrabă un microscop electronic cu transmisie de scanare (STEM sau STEM) - Von Ardenne, de fapt, a adăugat un sistem de scanare la microscopul electronic de transmisie. Pe lângă înregistrarea imaginii pe un kinescop, dispozitivul a fost echipat cu un sistem de înregistrare fotografică pe un film amplasat pe un tambur rotativ. Un fascicul de electroni cu un diametru de 0,01 microni a scanat suprafața probei, iar electronii transmisi au iluminat filmul fotografic , care s-a deplasat sincron cu fasciculul de electroni.
Prima micrografie STEM a capturat un cristal de oxid de zinc (ZnO) mărit de 8000 de ori cu o rezoluție de 50 până la 100 nanometri . Imaginea a fost compusă dintr-un raster de 400x400 pixeli și a durat 20 de minute pentru a o acumula. Microscopul avea două lentile electrostatice înconjurate de bobine de deflectare.
În 1942 , emigratul rus, fizicianul și inginerul Vladimir Zworykin , care lucra la acea vreme în laboratorul Radio Corporation of America din Princeton , SUA , a publicat detaliile primului microscop electronic cu scanare, care a făcut posibilă analiza nu numai o probă subțire în transmisie, dar și suprafața unei probe masive. Un tun de electroni cu catod de wolfram a emis electroni, care au fost apoi accelerați de o tensiune de 10 kilovolți. Optica electronică a dispozitivului era compusă din trei bobine electrostatice, iar bobinele de deflectare au fost plasate între prima și a doua lentilă. Pentru a asigura confortul plasării probei și manipulării acesteia în designul SEM, pistolul cu electroni a fost amplasat în partea de jos a microscopului (acest design avea o caracteristică neplăcută - riscul ca proba să cadă în coloana microscopului).
Acest prim SEM a atins o rezoluție de ordinul a 50 de nanometri. Dar la acel moment, microscopia electronică cu transmisie se dezvolta rapid, față de care SEM părea un instrument mai puțin interesant, ceea ce a afectat rata de dezvoltare a acestui tip de microscopie [5] .
La sfârșitul anilor 1940, Charles Otley , în calitate de președinte al Conferinței Departamentului de Design de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie , a devenit interesat de optica electronică și a decis să anunțe un program de dezvoltare a unui microscop electronic de scanare pentru a completa munca în curs de desfășurare în departamentul de fizica la un microscop electronic de transmisie sub conducerea lui Vernon Ellis Cosslett . Unul dintre elevii lui Charles Otley, Ken Sander, a început să lucreze la o coloană SEM folosind lentile electrostatice, dar a trebuit să înceteze munca după un an din cauza unei boli. Lucrările au fost reluate în 1948 de către Dennis MacMillan . El și Charles Otley au construit primul lor SEM ( SEM1 sau Microscop electronic cu scanare 1 ) și în 1952 acest instrument a atins o rezoluție de 50 de nanometri și, cel mai important, a oferit un efect tridimensional de reproducere a reliefului probei - o trăsătură caracteristică a toate SEM-urile moderne [6] .
În 1960, Thomas Everhart și Richard Thornley , inventând un nou detector („detectorul Everhart-Thornley”), au accelerat dezvoltarea microscopului electronic cu scanare. Acest detector, care este extrem de eficient pentru colectarea atât a electronilor secundari, cât și a celor reflectați, devine foarte popular și se găsește acum pe multe SEM-uri.
Lucrările care au fost efectuate la Universitatea din Cambridge de către grupul lui Charles Otley în anii 60 au contribuit în mare măsură la dezvoltarea SEM, iar în 1965 Cambridge Instrument Co. a fost lansat primul microscop electronic cu scanare comercial - Stereoscan [7] .
Rezoluția (abilitatea de a distinge detaliile fine) a unui microscop optic este limitată de lungimea de undă a fotonilor de lumină vizibilă . Cele mai puternice microscoape optice pot oferi observarea detaliilor cu o dimensiune de 0,1–0,2 µm [8] . Dacă vrem să vedem detalii mai fine, trebuie să scurtăm lungimea de undă care luminează obiectul de studiu. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza nu fotoni, ci, de exemplu, electroni, a căror lungime de undă este mult mai mică. Microscoapele electronice sunt rezultatul acestei idei.
Următoarea figură ilustrează schema de bază SEM: un fascicul de electroni este îndreptat spre proba analizată. Interacțiunea generează electroni secundari de energie scăzută, care sunt colectați de un detector de electroni secundari . Intensitatea semnalului electric al detectorului depinde atât de natura probei (într-o măsură mai mică), cât și de topografia (într-o măsură mai mare) a probei în regiunea de interacțiune. Astfel, este posibilă obținerea unei hărți în relief a zonei analizate.
O sondă subțire de electroni este generată de un tun de electroni care acționează ca o sursă de electroni și este focalizată de lentile de electroni (de obicei electromagnetice, uneori electrostatice). Bobinele de scanare deviază sonda în două direcții reciproc perpendiculare, scanând suprafața probei cu sonda, similar cu scanarea ecranului unui tub catodic de televiziune cu un fascicul de electroni . O sursă de electroni, lentilele de electroni (de obicei magnetice toroidale) și bobinele de deviere formează un sistem numit coloană de electroni .
În SEM-urile moderne, imaginea este înregistrată în formă digitală, dar primele SEM-uri au apărut la începutul anilor 1960 cu mult înainte de răspândirea tehnologiei digitale și, prin urmare, imaginea a fost formată prin sincronizarea mărturiilor fasciculului de electroni din cinescop cu fasciculul de electroni. în SEM și reglarea intensității tubului cu un semnal secundar. Imaginea probei a apărut apoi pe ecranul fosforescent al kinescopului și a putut fi înregistrată pe film fotografic .
Electronii sondei (fascicul) interacționează cu materialul eșantionului și generează diferite tipuri de semnale: electroni secundari, electroni retroîmprăștiați, electroni Auger , raze X, radiații luminoase (catodoluminiscență), etc. Aceste semnale transportă informații despre topografie și materialul eșantionului . 9 ] .
Ca rezultat al interacțiunii cu atomii probei, electronii fasciculului primar pot transfera o parte din energia lor către electronii probei. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, poate apărea detașarea electronilor. Astfel de electroni sunt numiți secundari. Acești electroni au de obicei energie scăzută (de ordinul a 50 eV ). Adesea, un electron din fasciculul primar are suficientă energie pentru a produce mai mulți electroni secundari.
Deoarece energia electronilor secundari este scăzută, evadarea lor este posibilă numai din straturile apropiate de suprafață ale materialului (mai puțin de 10 nm). Datorită energiei lor cinetice scăzute, acești electroni sunt ușor deviați de o mică diferență de potențial. Acest lucru face posibilă creșterea semnificativă a eficienței detectorilor (pentru a colecta numărul maxim posibil de electroni) și obținerea de imagini de înaltă calitate, cu un raport semnal-zgomot bun și o rezoluție mai bună de 1 nm. Numărul de electroni secundari depinde de unghiul de ciocnire al fasciculului de electroni cu suprafața probei, adică de topografie. Prin urmare, semnalul electronic secundar este utilizat pentru a reproduce topografia probei. [9] .
Baza unui microscop electronic de scanare este un tun de electroni și o coloană de electroni, a căror funcție este de a forma o sondă de electroni focalizată ascuțit de energii medii (200 eV - 50 keV ) pe suprafața probei. Aparatul trebuie să fie echipat cu un sistem de vid. De asemenea, fiecare SEM are un tabel de obiecte care vă permite să mutați proba în cel puțin trei direcții. Atunci când electronii interacționează cu un obiect, apar mai multe tipuri de semnale, fiecare dintre acestea fiind captat de un detector special (vezi mai jos). În consecință, imaginile produse de un microscop pot fi construite folosind diferite semnale, adesea mai multe semnale în același timp (de exemplu, imaginea electronică secundară, imaginea electronică reflectată, imaginea cu raze X (hartă)).
SEM-urile sunt echipate cu detectoare care permit selectarea și analiza radiațiilor care au apărut în timpul interacțiunii și particulelor care și-au schimbat energia ca urmare a interacțiunii sondei de electroni cu proba. [9] Tehnicile dezvoltate fac posibilă investigarea nu numai a proprietăților suprafeței probei, ci și vizualizarea informațiilor despre proprietățile structurilor subterane.
Principalele tipuri de semnale care sunt generate și detectate în timpul funcționării SEM:
Toate tipurile posibile de detectoare instalate pe un singur dispozitiv sunt extrem de rare.
Detectoarele de electroni secundari sunt primul tip de detectoare instalate în mod tradițional pe majoritatea SEM-urilor (în unele modele de desktop simplificate, este utilizat doar un detector de electroni reflectați). În acest mod, rezoluția SEM este maximă. Datorită fasciculului de electroni foarte îngust, SEM-urile au o adâncime de câmp foarte mare , cu aproximativ două ordine de mărime mai mare decât cea a unui microscop optic și vă permit să obțineți micrografii clare cu un efect tridimensional caracteristic pentru obiecte cu relief complex. Această proprietate SEM este extrem de utilă pentru înțelegerea structurii suprafeței unei probe. O micrografie a polenului demonstrează capacitățile modului SE SEM.
Electronii reflectați (BE) sunt fascicul de electroni reflectați din probă prin împrăștiere elastică. În funcție de configurația detectorului, acestea pot afișa fie compoziția (compoziția) probei, fie topografia acesteia (topografia suprafeței). În modul compozițional, OE-urile sunt adesea utilizate în SEM analitic împreună cu analiza spectrelor de raze X caracteristice. Deoarece intensitatea semnalului OE este direct legată de numărul atomic mediu (Z) al zonei eșantionului iradiat în prezent de fasciculul de electroni, imaginile OE poartă informații despre distribuția diferitelor elemente din eșantion. De exemplu, modul SE face posibilă detectarea etichetelor imune de aur coloidal cu un diametru de 5-10 nm, care sunt foarte dificil sau chiar imposibil de detectat în obiectele biologice în modul SE. O micrografie a suprafeței unei secțiuni lustruite a unui sistem de oxid de metal demonstrează posibilitățile modului OE SEM. În modul topografic, OE-urile pot fi utilizate în condițiile în care detectoarele tradiționale de electroni secundari nu funcționează, cum ar fi în SEM cu vid variabil.
Razele X caracteristice sunt generate atunci când un electron din fascicul elimină un electron de pe învelișul interior al unuia dintre atomii probei, determinând ca un electron de la un nivel de energie mai înalt să treacă la un nivel de energie mai scăzut în timp ce emite simultan o cuantum de raze X. Prelucrarea spectrului caracteristic de raze X permite efectuarea unei analize elementare calitative și cantitative a compoziției probei.
De obicei, electronii secundari și/sau reflectați (retroîmprăștiați) sunt utilizați pentru a obține informații despre structura suprafeței. Contrastul electronilor secundari depinde mai ales de relieful suprafeței, în timp ce electronii reflectați poartă informații despre distribuția densității electronilor (regiunile îmbogățite cu un element cu un număr atomic mai mare par mai strălucitoare). Prin urmare, electronii retroîmprăștiați, care sunt generați simultan cu cei secundari, pe lângă informații despre morfologia suprafeței, conțin informații suplimentare despre compoziția probei. Iradierea probei cu un fascicul de electroni nu numai că produce electroni secundari și reflectați, ci provoacă și emisia de raze X caracteristice . Analiza acestei radiații face posibilă determinarea compoziției elementare a microvolumului probei (rezoluția pentru probele masive nu este de obicei mai bună de 1 μm ).
Detectorul Everhart-Thornley este folosit ca detector de electroni secundar , ceea ce face posibilă colectarea eficientă a electronilor cu o energie de ordinul a 50 eV.
Multe SEM-uri sunt echipate cu un detector de electroni retrodifuzați cu semiconductor extrem de sensibil. Detectorul este montat pe suprafața inferioară a lentilei obiectiv sau introdus pe o tijă specială sub piesa polară. Aceasta permite, prin selectarea unui mod din meniu, să se obțină imagini de topografie de suprafață, o imagine în contrast compozițional sau într-un câmp întunecat.
Pentru a analiza compoziția elementară, se utilizează microanaliza spectrală cu raze X , în care este detectată emisia caracteristică de raze X a unei substanțe, care are loc atunci când suprafața probei este iradiată cu electroni. Există analizoare cu dispersie de energie (EDX) și cu dispersie de unde (WDX).
Până acum, au fost folosite spectrometre cu dispersie de energie răcite cu azot, dar în ultimii ani, producătorii au trecut la detectoare fără azot.
Microscoapele moderne sunt capabile să funcționeze la tensiuni de accelerare scăzute, până la 200 de volți. Aplicarea potențialului de întârziere face posibilă reducerea tensiunii de accelerare la 10 volți. Tensiunile joase au o serie de avantaje. La tensiune joasă, o stare de echilibru poate fi atinsă atunci când numărul de electroni din fascicul absorbit de probă este egal cu numărul de electroni emiși de probă. În aceste condiții, aplicarea de acoperiri conductoare pe probă nu este necesară. La tensiuni joase, deteriorarea probei de către fascicul de electroni este minimă, ceea ce este important pentru probele delicate. Și, în cele din urmă, la tensiuni joase, zona de interacțiune a fasciculului de electroni cu proba scade brusc, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezoluției spațiale atunci când se lucrează cu electroni reflectați și cu raze X.
Unele microscoape moderne sunt echipate cu un sistem de vid capabil să mențină un vid ridicat (și ultraînalt) de 10–3 Pa în coloana de electroni și un vid relativ slab de până la 5–2000 Pa în camera de probă. Ca urmare, proba este situată într-o atmosferă, deși rarefiată, dar suficient de densă pentru a neutraliza încărcătura de suprafață (constituită de obicei din vapori de apă sau azot). Moleculele de gaz sunt ionizate sub influența electronilor primari emiși de catod. Ionii pozitivi formați interacționează cu electronii care se acumulează pe probă și neutralizează sarcina de suprafață.
Ca rezultat, probele dielectrice pot fi observate fără un strat conductor. Dacă microscopul este echipat și cu un suport de probă de răcire, atunci este posibil să se lucreze cu mostre umede și chiar cu apă. De exemplu, se poate observa direct la microscop dizolvarea și recristalizarea sării de masă (sau a altor cristale).
Rezoluția spațială a unui microscop electronic cu scanare depinde atât de diametrul fasciculului de electroni, cât și de dimensiunea regiunii de interacțiune dintre sonda de electroni și probă. Dimensiunea sondei de electroni și dimensiunea regiunii de interacțiune dintre sondă și probă sunt mult mai mari decât distanța dintre atomii țintă . Deși rezoluția microscoapelor electronice cu scanare este inferioară rezoluției microscoapelor cu transmisie , acestea au o serie de avantaje, cum ar fi capacitatea de a studia topografia probei, vizualizarea unei zone relativ mari a probei, studiul obiecte masive (nu doar filme subțiri), un set de metode analitice care permit măsurarea compoziției și proprietăților obiectului studiat.
În funcție de instrumentul particular și de parametrii experimentului, se poate obține o rezoluție de la zeci la o fracțiune de nanometru . În 2009, cea mai bună rezoluție a fost obținută cu un microscop Hitachi S-5500 și s-a ridicat la 0,4 nm (la o tensiune de 30 kV) [10] .
De regulă, cea mai bună rezoluție poate fi obținută folosind electroni secundari, cel mai rău - în razele X caracteristice. Acesta din urmă se datorează dimensiunii mari a regiunii de excitație a radiațiilor, care este de câteva ori mai mare decât dimensiunea sondei de electroni. Când utilizați modul de vid redus, rezoluția se deteriorează oarecum.
Probele conductoare (metalice) de obicei nu necesită pregătire specială și pot fi plasate direct în camera microscopului. Dacă este necesar, mostrele pot fi curățate. Secțiunile subțiri pot fi pregătite pentru a vizualiza structura internă și/sau pentru a utiliza microanaliza cu raze X.
Pulberile și nanoparticulele sunt depuse pe suprafețe asemănătoare oglinzii (sticlă, plastic, mică etc.) sub formă de suspensie în apă sau într-un solvent organic. După ce lichidul s-a uscat, proba poate fi folosită la microscop. Pulberile cu particule mai mari pot fi aplicate pe banda de carbon conductoare.
Probele neconductoare sunt de obicei supuse pulverizării unui strat conductiv subțire pentru a îndepărta sarcina și a ecrana fasciculul incident de sarcina acumulată în cea mai mare parte a materialului. Pentru acoperirile conductoare, cel mai des se utilizează carbon, aur sau un aliaj de aur și paladiu. Primul este util pentru microanaliza cu raze X. Pulverizarea aurului sau a unui aliaj pe baza acestuia permite obținerea de microfotografii cu mărire și contrast mai mare (cel mai adesea fără autoimaging). Dacă este imposibil să se depună o peliculă pe o probă, atunci într-un SEM cu vid variabil este posibilă îndepărtarea încărcăturii din probă de către ionii gazelor introduse în cameră (de obicei vapori de apă sau azot). Acumularea de sarcină pe eșantion poate fi evitată și prin funcționarea la tensiuni de accelerare scăzute (de obicei de ordinul a 1 kV).
Probele biologice trebuie fixate chimic, deshidratate într-o serie de soluții de alcool sau acetonă cu concentrații care cresc de la 30-50% la 100%, apoi alcoolul (sau acetona) trebuie îndepărtat din probă într-un aparat special în care alcoolul este înlocuit cu dioxid de carbon lichid, care este transferat în stare gazoasă prin trecerea prin punctul triplu critic.
Microscoapele de scanare sunt folosite ca instrument de cercetare în fizică , electronică , biologie , farmaceutică , medicină , știința materialelor etc. Funcția lor principală este de a obține o imagine mărită a probei studiate și/sau imagini ale probei în diverse semnale înregistrate. Compararea imaginilor obținute în diferite semnale face posibilă tragerea unei concluzii despre morfologia și compoziția suprafeței.
Caracteristicile microscopului electronic de scanare Magellan XHR SEM
| dispozitive cu fascicul de electroni | ||
|---|---|---|
| Transmițătoare | Tub Crookes | |
| plasament |
| |
| amintindu-şi | ||
| Microscop electronic | ||
| Alte |
| |
| Părți principale |
| |
| Concepte | ||