A pásztázó elektronmikroszkóp ( SEM ) vagy a pásztázó elektronmikroszkóp ( SEM ) ( eng. pásztázó elektronmikroszkóp, SEM ) egy elektronmikroszkóp osztályú eszköz , amelyet arra terveztek, hogy egy tárgy felületéről nagy (legfeljebb 0,4 nanométeres ) térbeli felbontású képet készítsen. , valamint információkat a felszínhez közeli rétegek összetételéről, szerkezetéről és néhány egyéb tulajdonságáról. Az elektronsugár kölcsönhatásának elve alapján a vizsgált tárggyal.
A modern SEM lehetővé teszi, hogy a nagyítások széles tartományában dolgozzon, körülbelül 3-10-szerestől (vagyis egy erős kézi lencse nagyításának felel meg ) és 1 000 000-szeresig, ami körülbelül 500-szorosa a legjobb optikai mikroszkópok nagyítási határának .
Manapság a pásztázó elektronmikroszkópos képességeket a tudomány és az ipar szinte minden területén használják, a biológiától az anyagtudományig . Rengeteg különböző kivitelű és típusú SEM létezik, amelyeket számos vállalat gyárt, és különféle típusú detektorokkal van felszerelve.
Az elektronmikroszkópia (különösen a SEM) története Hans Busch német fizikusnak az elektromágneses mezőnek a töltött részecskék pályájára gyakorolt hatásáról szóló elméleti munkájával kezdődött . 1926 - ban bebizonyította, hogy az ilyen terek elektromágneses lencsékként használhatók [1] , ezzel megalapozva a geometriai elektronoptika alapelveit. Erre a felfedezésre válaszul megszületett az elektronmikroszkóp ötlete, és két csapat – Max Knoll és Ernst Ruska a Berlini Műszaki Egyetemről , valamint Ernst Brush az EAG laboratóriumából – próbálta ezt az ötletet a gyakorlatba átültetni. 1931 -ben pedig Knoll és Ruska megalkotta az első transzmissziós elektronmikroszkópot [2] .
Miután a német Telefunken rádiótársasághoz költözött, a katódcsöves televíziók kutatására Max Knoll kifejlesztett egy elektroncsöves analizátort vagy "elektronsugár-analizátort", amely szimulálta a pásztázó elektronmikroszkóp összes szükséges jellemzőjét: a minta az egyik oldalon volt. a lepecsételt[ pontosítás ] egy üvegcső, a másikon egy elektronágyú . Az 500-4000 voltos feszültséggel felgyorsított elektronok a minta felületére fókuszáltak, ezek eltérítését tekercsrendszer biztosította. A sugár 50 kép/másodperc sebességgel pásztázta a minta felületét, és a mintán áthaladó áram mérése lehetővé tette a felület képének rekonstruálását. Az első ilyen elvet alkalmazó készüléket 1935 -ben hozták létre [3] .
1938- ban Manfred von Ardenne német szakember megépítette az első pásztázó elektronmikroszkópot [4] . De ez a készülék még nem hasonlított egy modern SEM-hez, mivel csak nagyon vékony mintákat lehetett rajta keresztül nézni. Vagyis inkább pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóp volt (STEM vagy STEM) – Von Ardenne tulajdonképpen pásztázó rendszert adott a transzmissziós elektronmikroszkóphoz. A kineszkópon történő képregisztráció mellett a készüléket fényképészeti rögzítő rendszerrel látták el egy forgó dobon elhelyezett filmen. Egy 0,01 mikron átmérőjű elektronsugár pásztázta a minta felületét, és az átvitt elektronok megvilágították a fotofilmet , amely szinkronban mozgott az elektronsugárral.
Az első STEM-mikroszkópos felvétel egy cink-oxid (ZnO) kristályt rögzített 8000-szeres nagyítással , 50-100 nanométeres felbontással . A kép egy 400x400 pixeles raszterből állt, és 20 percet vett igénybe a felhalmozódása. A mikroszkópnak két elektrosztatikus lencséje volt , amelyeket eltérítő tekercsek vettek körül.
1942 - ben az orosz emigráns, Vlagyimir Zworykin fizikus és mérnök , aki akkoriban a Radio Corporation of America laboratóriumában dolgozott Princetonban az USA -ban , nyilvánosságra hozta az első pásztázó elektronmikroszkóp részleteit, amelyek lehetővé tették nemcsak az elemzést. vékony minta az átvitelben, de egy hatalmas minta felülete is. Egy volfrámkatódos elektronágyú elektronokat bocsátott ki, amelyeket aztán 10 kilovolt feszültséggel felgyorsítottak. A készülék elektronikus optikáját három elektrosztatikus tekercs alkotta, az eltérítő tekercsek pedig az első és a második lencse közé kerültek. A minta elhelyezésének és a SEM-kialakításban való kezelésének kényelme érdekében az elektronpisztolyt a mikroszkóp alján helyezték el (ennek a kialakításnak volt egy kellemetlen tulajdonsága - a minta beesésének kockázata a mikroszkóp oszlopába).
Ez az első SEM 50 nanométeres felbontást ért el. Ám abban az időben a transzmissziós elektronmikroszkópia gyorsan fejlődött, amellyel szemben a SEM kevésbé tűnt érdekes eszköznek, ami befolyásolta az ilyen típusú mikroszkópia fejlődési ütemét [5] .
Az 1940- es évek végén Charles Otley , a Cambridge - i Egyetem tervezési tanszéki konferenciájának elnöke érdeklődést mutatott az elektronoptika iránt, és elhatározta, hogy bejelent egy programot pásztázó elektronmikroszkóp kifejlesztésére, hogy kiegészítse a tanszéken folyó munkát. fizika transzmissziós elektronmikroszkópon Vernon Ellis Cosslett irányításával . Charles Otley egyik tanítványa, Ken Sander elektrosztatikus lencséket használó SEM-oszlopon kezdett dolgozni, de egy év után betegség miatt abba kellett hagynia a munkát. A munkát 1948 -ban Dennis MacMillan folytatta . Ő és Charles Otley megépítették első SEM-jüket ( SEM1 vagy Scanning Electron Microscope 1 ), és 1952 -ben ez a műszer elérte az 50 nanométeres felbontást, és ami a legfontosabb, háromdimenziós hatást nyújtott a minta domborművének reprodukálására - ez a műszer jellemző tulajdonsága minden modern SEM [6] .
1960- ban Thomas Everhart és Richard Thornley egy új detektor ("Everhart-Thornley detektor") feltalálásával felgyorsították a pásztázó elektronmikroszkóp fejlesztését. Ez a detektor, amely rendkívül hatékony mind a másodlagos, mind a visszavert elektronok összegyűjtésére, egyre népszerűbb, és számos SEM-en megtalálható.
Az a munka, amelyet a Cambridge -i Egyetemen Charles Otley csoportja végzett a 60-as években, nagyban hozzájárult a SEM fejlődéséhez, és 1965-ben a Cambridge Instrument Co. megjelent az első kereskedelmi forgalomban kapható pásztázó elektronmikroszkóp - Stereoscan [7] .
Az optikai mikroszkóp felbontását (a finom részletek megkülönböztetésének képességét) a látható fény fotonjainak hullámhossza korlátozza . A legerősebb optikai mikroszkópok 0,1–0,2 µm méretű részletek megfigyelésére képesek [8] . Ha finomabb részleteket akarunk látni, akkor le kell rövidíteni a vizsgált tárgyat megvilágító hullámhosszt. Ehhez nem fotonokat, hanem például elektronokat használhat, amelyek hullámhossza sokkal rövidebb. Az elektronmikroszkópok ennek az ötletnek az eredménye.
Az alábbi ábra szemlélteti az alapvető SEM sémát: egy elektronsugár irányul a vizsgált mintára. A kölcsönhatás alacsony energiájú másodlagos elektronokat generál, amelyeket egy szekunder elektrondetektor gyűjt össze . A detektor elektromos jelének intenzitása mind a minta jellegétől (kisebb mértékben), mind a minta domborzatától (nagyobb mértékben) függ a kölcsönhatási tartományban. Így lehetőség nyílik az elemzett zóna domborzati térképének elkészítésére.
Egy vékony elektronszondát egy elektronágyú generál, amely elektronforrásként működik, és elektronlencsék (általában elektromágneses, néha elektrosztatikus) fókuszálják. A pásztázó tekercsek két, egymásra merőleges irányban eltérítik a szondát, és a minta felületét pásztázzák a szondával, hasonlóan egy televíziós katódsugárcső képernyőjének elektronsugárral történő pásztázásához . Az elektronforrás, az elektronlencsék (általában toroid mágneses) és az eltérítő tekercsek elektronoszlopnak nevezett rendszert alkotnak .
A modern SEM-ekben a képet digitális formában rögzítik, de az első SEM-ek az 1960 -as évek elején jelentek meg, jóval a digitális technika elterjedése előtt, és ezért a kép a kineszkópban lévő elektronnyaláb pásztáinak az elektronsugárral való szinkronizálásával jött létre. a SEM-ben és a cső intenzitásának másodlagos jellel történő beállítása. A minta képe ekkor megjelent a kineszkóp foszforeszkáló képernyőjén, és fotófilmre rögzíthető volt .
A szonda (nyaláb) elektronok kölcsönhatásba lépnek a mintaanyaggal, és különféle jeleket generálnak: szekunder elektronokat, visszaszórt elektronokat, Auger elektronokat , röntgensugárzást, fénysugárzást (katodolumineszcencia) stb. Ezek a jelek információkat hordoznak a domborzatról és a mintaanyagról 9 ] .
A minta atomjaival való kölcsönhatás eredményeként a primer nyaláb elektronjai energiájuk egy részét átadhatják a minta elektronjainak. Az ilyen kölcsönhatás eredményeként elektronok leválása következhet be. Az ilyen elektronokat másodlagosnak nevezzük. Ezek az elektronok általában alacsony energiájúak (nagyságrendileg 50 eV ). Gyakran az elsődleges nyalábban lévő elektronnak elegendő energiája van több másodlagos elektron előállításához.
Mivel a szekunder elektronok energiája alacsony, kiszökésük csak az anyag felszínhez közeli (10 nm-nél kisebb) rétegeiből lehetséges. Alacsony kinetikus energiájuk miatt ezek az elektronok kis potenciálkülönbséggel könnyen eltéríthetők. Ez lehetővé teszi a detektorok hatékonyságának jelentős növelését (a lehető legnagyobb számú elektron összegyűjtését), és jó jel-zaj arányú, 1 nm-nél jobb felbontású, jó minőségű képek készítését. A szekunder elektronok száma függ az elektronsugár és a minta felületének ütközési szögétől, vagyis a domborzattól. Ezért a másodlagos elektronjelet a minta topográfiájának reprodukálására használják. [9] .
A pásztázó elektronmikroszkóp alapja egy elektronágyú és egy elektronoszlop, amelyek feladata, hogy a minta felületén közepes energiájú (200 eV - 50 keV ) éles fókuszú elektronszondát képezzenek. A készüléket vákuumrendszerrel kell felszerelni. Ezenkívül minden SEM-nek van egy objektumtáblázata, amely lehetővé teszi a minta legalább három irányba történő mozgatását. Amikor az elektronok kölcsönhatásba lépnek egy tárggyal, többféle jel keletkezik, amelyek mindegyikét egy speciális detektor rögzíti (lásd alább). Ennek megfelelően a mikroszkóp által előállított képek különböző jelek, gyakran több jel egyidejű felhasználásával is készíthetők (pl. másodlagos elektronkép, visszavert elektronkép, röntgenkép (térkép)).
A SEM-ek detektorokkal vannak felszerelve, amelyek lehetővé teszik a kölcsönhatás során keletkezett sugárzás , valamint az elektronszonda és a minta kölcsönhatása következtében energiát megváltoztató részecskék kiválasztását és elemzését . [9] A kidolgozott technikák nemcsak a mintafelület tulajdonságainak vizsgálatát teszik lehetővé, hanem a felszín alatti szerkezetek tulajdonságaira vonatkozó információk megjelenítését is.
A SEM működése során generált és észlelt jelek fő típusai :
Az egy eszközre telepített összes lehetséges érzékelő rendkívül ritka.
A másodlagos elektrondetektorok az első típusú detektorok, amelyeket hagyományosan a legtöbb SEM-re telepítenek (egyes egyszerűsített asztali modellekben csak visszavert elektrondetektort használnak). Ebben az üzemmódban a SEM felbontása maximális. A nagyon keskeny elektronnyaláb miatt a SEM-ek nagyon nagy mélységélességgel rendelkeznek , körülbelül két nagyságrenddel nagyobb, mint egy optikai mikroszkópé, és lehetővé teszik, hogy tiszta mikrofelvételeket készítsen, jellegzetes háromdimenziós hatással összetett domborzatú objektumokról. Ez a SEM tulajdonság rendkívül hasznos a minta felületi szerkezetének megértéséhez. A virágpor mikroképe bemutatja az SE SEM mód képességeit.
A visszavert elektronok (BE) olyan nyalábelektronok, amelyek rugalmas szórással verődnek vissza a mintáról. A detektor konfigurációjától függően akár a minta összetételét (összetételét), akár topográfiáját (felszíni topográfia) jeleníthetik meg. A kompozíciós módban az OE-ket gyakran használják az analitikai SEM-ben a jellegzetes röntgenspektrumok elemzésével együtt. Mivel az OE jel intenzitása közvetlenül összefügg a minta elektronsugár által jelenleg besugárzott területének átlagos atomszámával (Z), az OE képek információt hordoznak a mintában lévő különböző elemek eloszlásáról. Az SE mód például lehetővé teszi az 5-10 nm átmérőjű aranykolloid immuncímkék kimutatását, amelyeket SE módban nagyon nehéz vagy akár lehetetlen is kimutatni biológiai tárgyakban. Egy fém-oxid rendszer polírozott metszetének felületéről készült mikrofénykép mutatja be az OE SEM mód lehetőségeit. Topográfiai módban az OE-k olyan körülmények között használhatók, ahol a hagyományos szekunder elektrondetektorok nem működnek, például változó vákuumú SEM-ben.
Jellegzetes röntgensugarak akkor keletkeznek, amikor a nyalábban lévő elektron leüt egy elektront a minta egyik atomjának belső héjáról, aminek következtében egy magasabb energiaszintről származó elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, miközben egyidejűleg röntgenkvantumot bocsát ki. A jellegzetes röntgenspektrum feldolgozása lehetővé teszi a minta összetételének kvalitatív és kvantitatív elemi elemzését.
Általában másodlagos és/vagy visszavert (visszaszórt) elektronokat használnak a felület szerkezetére vonatkozó információk megszerzésére. A szekunder elektronok kontrasztja leginkább a felület domborzatától függ, míg a visszavert elektronok az elektronsűrűség eloszlásáról hordoznak információt (a nagyobb rendszámú elemmel dúsított régiók világosabbnak tűnnek). Ezért a visszaszórt elektronok, amelyek egyidejűleg keletkeznek a szekunder elektronokkal, a felületi morfológiára vonatkozó információkon túl további információkat is tartalmaznak a minta összetételéről. A minta elektronsugárral történő besugárzása nemcsak másodlagos és visszavert elektronokat termel, hanem jellegzetes röntgensugárzást is okoz . Ennek a sugárzásnak az elemzése lehetővé teszi a minta mikrotérfogatának elemi összetételének meghatározását (tömeges minták felbontása általában nem jobb 1 μm -nél ).
Az Everhart-Thornley detektort másodlagos elektrondetektorként használják , amely lehetővé teszi az 50 eV nagyságrendű energiájú elektronok hatékony begyűjtését.
Sok SEM rendkívül érzékeny félvezető visszaszórt elektrondetektorral van felszerelve. Az érzékelőt az objektívlencse alsó felületére szerelik fel, vagy egy speciális rúdra helyezik a rúd alá. Ez lehetővé teszi, hogy a menüből egy mód kiválasztásával felszíni domborzati képeket, kompozíciós kontrasztú vagy sötét mezőben lévő képeket kapjon.
Az elemi összetétel elemzésére röntgen-spektrális mikroanalízist alkalmaznak , melynek során egy anyag jellegzetes röntgensugárzását mutatják ki, amely akkor következik be, amikor a minta felületét elektronokkal besugározzák. Léteznek energiadiszperzív (EDX) és hullámdiszperzív (WDX) analizátorok.
Eddig nitrogénhűtéses energiadiszperzív spektrométereket használtak, az utóbbi években azonban a gyártók áttértek a nitrogénmentes detektorokra.
A modern mikroszkópok alacsony, akár 200 voltos gyorsítófeszültségen is működnek. A késleltető potenciál alkalmazása lehetővé teszi a gyorsítófeszültség 10 voltra való csökkentését. Az alacsony feszültségnek számos előnye van. Alacsony feszültségen egyensúlyi állapot akkor érhető el, ha a minta által elnyelt nyaláb elektronok száma megegyezik a minta által kibocsátott elektronok számával. Ilyen körülmények között nincs szükség vezetőképes bevonatok felvitelére a mintán. Alacsony feszültségen a nyaláb elektronok által okozott károsodás a mintában minimális, ami fontos a kényes minták esetében. És végül, alacsony feszültségeknél a nyalábelektronok és a minta kölcsönhatásának zónája élesen csökken, ami a térbeli felbontás jelentős növekedéséhez vezet, ha visszavert elektronokkal és röntgensugárzással dolgozik.
Néhány modern mikroszkóp vákuumrendszerrel van felszerelve, amely képes 10–3 Pa magas (és ultramagas) vákuumot fenntartani az elektronoszlopban, és viszonylag gyenge, akár 5–2000 Pa-os vákuumot a mintakamrában. Ennek eredményeként a minta légkörben helyezkedik el, bár ritka, de elég sűrű ahhoz, hogy semlegesítse a (általában vízgőzből vagy nitrogénből álló) felületi töltést. A gázmolekulák a katód által kibocsátott primer elektronok hatására ionizálódnak. A képződött pozitív ionok kölcsönhatásba lépnek a mintán felhalmozódó elektronokkal és semlegesítik a felületi töltést.
Ennek eredményeként a dielektromos minták vezető bevonat nélkül is megfigyelhetők. Ha a mikroszkóp hűtőmintatartóval is fel van szerelve, akkor nedves mintákkal és akár vízzel is lehet dolgozni. Például közvetlenül a mikroszkópban megfigyelhetjük a konyhasó (vagy más kristályok) feloldódását és átkristályosodását.
A pásztázó elektronmikroszkóp térbeli felbontása mind az elektronsugár átmérőjétől, mind az elektronszonda és a minta közötti kölcsönhatási tartomány méretétől függ. Az elektronszonda mérete és a szonda és a minta közötti kölcsönhatási tartomány mérete sokkal nagyobb, mint a célatomok közötti távolság . Bár a pásztázó elektronmikroszkópok felbontása gyengébb, mint a transzmissziós mikroszkópoké , számos előnnyel rendelkeznek, mint például a minta topográfiájának tanulmányozása, a minta viszonylag nagy területének megjelenítése, masszív tárgyak (nem csak vékony filmek), olyan analitikai módszerek összessége, amelyek lehetővé teszik a vizsgált objektum összetételének és tulajdonságainak mérését.
Az adott műszertől és a kísérlet paramétereitől függően több tíztől a nanométer töredékéig terjedő felbontás érhető el . 2009-ben a legjobb felbontást a Hitachi S-5500 mikroszkóppal érte el, és 0,4 nm volt (30 kV feszültség mellett) [10] .
Általános szabály, hogy a legjobb felbontást másodlagos elektronok segítségével lehet elérni, a legrosszabb - a jellegzetes röntgensugarakban. Ez utóbbi oka a sugárzás gerjesztési tartományának nagy mérete, amely többszöröse az elektronszonda méretének. Alacsony vákuum mód használatakor a felbontás valamelyest romlik.
A vezetőképes (fém) minták általában nem igényelnek különleges előkészítést, és közvetlenül behelyezhetők a mikroszkóp kamrájába. Szükség esetén a minták tisztíthatók. Vékony metszetek készíthetők a belső szerkezet megtekintésére és/vagy röntgenmikroanalízis használatára.
A porok és nanorészecskék tükörszerű felületekre (üveg, műanyag, csillám stb.) vízben vagy szerves oldószerben szuszpenzió formájában kerülnek le. Miután a folyadék megszáradt, a minta felhasználható a mikroszkópban. A nagyobb részecskéket tartalmazó porok felhordhatók vezető szénszalagra.
A nem vezető mintákat általában egy vékony vezető réteg porlasztásának vetik alá, hogy eltávolítsák a töltést, és elzárják a beeső sugarat az anyag nagy részében felhalmozódott töltéstől. Vezetőképes bevonatokhoz leggyakrabban szenet, aranyat vagy arany és palládium ötvözetet használnak. Az előbbi röntgen mikroanalízishez hasznos. Az arany vagy az arra épülő ötvözet porlasztása lehetővé teszi nagyobb nagyítású és kontrasztú (leggyakrabban önkép nélküli) mikrofotók készítését. Ha a mintára nem lehet filmet felvinni, akkor a változó vákuumú SEM-ben lehetőség van a töltés eltávolítására a mintából a kamrába bevezetett gázionok segítségével (általában vízgőz vagy nitrogén). Alacsony gyorsítófeszültségen (általában 1 kV nagyságrendű) üzemeléssel is elkerülhető a töltés felhalmozódása a mintán.
A biológiai mintákat kémiailag rögzíteni kell, dehidratálni kell alkoholos vagy acetonos oldatok sorozatában, 30-50%-ról 100%-ra növelve a koncentrációt, majd az alkoholt (vagy acetont) el kell távolítani a mintából egy speciális készülékben, amelyben az alkohol helyébe folyékony szén-dioxid kerül, amely a kritikus hármasponton áthaladva gázhalmazállapotba kerül.
A pásztázó mikroszkópokat kutatási eszközként használják a fizikában , az elektronikában , a biológiában , a gyógyszeriparban , az orvostudományban , az anyagtudományban stb. Fő funkciójuk a vizsgált minta kinagyított képének és/vagy a mintának a különböző rögzített jelekben történő felvétele. A különböző jelekben kapott képek összehasonlítása lehetővé teszi a felület morfológiájára és összetételére vonatkozó következtetések levonását.
A Magellan XHR SEM pásztázó elektronmikroszkóp jellemzői
| elektronsugaras eszközök | ||
|---|---|---|
| Adók | Crookes cső | |
| Foster |
| |
| emlékezve | ||
| Elektron mikroszkóp | ||
| Egyéb |
| |
| Fő részek |
| |
| Fogalmak | ||